學個Antenna是以天線仿真和調試為主，理論原理為輔的干貨天線技術專欄，包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設計、調試過程及思路。如有想看到的內容或技術問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

如今，智能手機非常流行。自2010年推出iPhone 4以來，金屬邊框天線方案已被廣泛用于智能手機設計中。除此之外，塑料中框+FPC天線方案也被廣泛應用于中、低端機型。這些技術有效地擴展了天線的尺寸，使得它不再局限于智能手機內部的狹小空間。不過隨著越來越多的攝像頭、PCB電路板、NFC、馬達、大電池等元器件的堆疊，使得天線所能獲得的凈空區域愈加窄小。這直接導致天線性能的降級，尤其是帶寬明顯變窄，天線總效率變低。為了在復雜環境下快速高效地進行手機天線方案的預仿真、調試，基于特征模理論的電小天線模式分析-組合法成為了主流。

本文使用的軟件為CST 2018版本

手機天線的類型

手機天線的發展經歷了外置-內置-開放式金屬中框天線這幾個階段。具體可以通過下面三個圖直觀感受一下：

手機天線的發展

                     

從左到右依次是：外置天線，內置天線和iPhone 4“天線門”事件主角-金屬中框天線

• 外置天線是移動電話領域中天線系列的第一個成員，它于1983年出現在第一臺商用手機Motorola DynaTAC 8000X。由于輻射天線外置能獲得較大的凈空區，且天線周圍環境簡單，因此天線性能良好。
• 內置天線出現在20世紀末，并獲得了廣泛的應用并在在短短幾年內風靡全球。諾基亞3210于1999年投放市場，獲得了巨大的成功。諾基亞也是第一家成功銷售帶有內置天線的主流手機公司。
• 金屬中框天線初創于iPhone 4。當年喬布斯富有激情的向我們講解了iPhone 4手機最偉大的設計之一：獨具匠心地利用金屬中框充當手機天線。iPhone 4手機的機身四周被兩條不銹鋼金屬所包裹，其巧妙地集成了UMTS、GSM網絡和藍牙、Wi-Fi、GPS的天線。雖然當時蘋果公司獨具匠心地將iPhone 4的手機天線和邊框整合在一起，使得整機一體化，更富有時尚氣息，但用戶一旦緊握手機，就會導致信號接收質量下降。即便如此，IPhone 4敢于第一個吃螃蟹，也在一定程度上引領了現在旗艦機型的手機天線設計。

隨著時代的發展，手機從直板式，觸屏手機，智能手機，到現在朝著“一機在手，天下我有”的智慧手機發展，可謂是飛速更迭，百花齊放。除了功能上的日趨完善，現在的手機在外形上也是創新不斷：例如vivo搭載升降攝像頭的NEX，oppo雙軌潛望結構將攝像頭隱藏在手機內部的Finder X，華為采用8英寸可折疊柔性屏的新一代5G折疊手機——Mate X2，全球第一臺搭載1億像素相機的手機——小米Mix Alpha，把一塊柔性屏做成雙折的環繞屏手機。國產HOVM四大家可謂是“煞費苦心”，“爭奇斗艷”。不過非常規結構的智能機也給手機天線設計帶來了較大挑戰！（點擊下面小圖即可觀看高清大圖）

不過，再花里胡哨的手機，其天線設計方法和類型還是萬變不離其宗。關于手機天線設計入門，這里強烈推薦清華大學-張志軍撰寫的Antenna Design for Mobile Devices（文末有網盤分享下載鏈接）。

特征模理論

特征模理論最開始由Garbacz在A generalized expansion for radiated and scattered fields一文中提出，然后Harrington和Mautz在Theory of characteristic modes for conducting bodies中進一步加以完善。

特征模理論最大的亮點在于：不考慮饋電結構的情況下，可以給出任意形狀金屬結構的所有輻射模式，類似于波導里的TE10，TE11等正交模式，這些輻射模式我們就稱之為“特征模”。關于特征模的相關理論和公式可以參考文末的資源分享，這里我們將一個輻射模式的激勵程度定義為模式激勵系數，這個系數的取值范圍為0~1，越接近于1則代表其越容易被激勵。

為了更直觀地理解這個專有名詞，我們對簡單的dipole天線進行特征模分析。（點擊下面小圖即可看清晰版本）

Dipole-Time Domain Solver

CST時域求解器：天線在6.185GHz和19.16GHz附近處于諧振狀態

Dipole-IntegralEq（Source type：CMA）

CST積分方程求解器，CMA激勵類型：天線在6.392GHz，13.16GHz，20.04GHz三個頻點，其模式激勵系數達到峰值

在電路分析中，諧振的定義是輸入阻抗虛部為0，即諧振頻點落于Smith圓圖的純電阻線上。從CST時域求解器仿真結果可以看出，6.185GHz和19.16GHz兩個頻點在純電阻線附近，兩者之間還有一個頻點靠近開路點。從S11上來看，難以分辨出其屬于諧振狀態。而在CST積分方程求解器的仿真結果則可以很清晰地看出在定義的仿真頻段內，6.392GHz，13.16GHz，20.04GHz三個頻點的模式激勵系數達到峰值。特征模方法對天線設計具有指導意義：即給定任意結構輻射金屬，可以從理論上求解出所有能激勵的輻射模式，且各模式之間滿足正交性。

Dipole模式分析：點擊下面小圖即可看清晰版本

  

可以看出，幾個不同頻點狀態下，其電流分布不同，這其實就是對應于理論上不同電長度下，Dipole上的電流分布。這里簡單定義上圖從左到右依次為Dipole的1/2波長模式，全波長模式和3/2波長模式。

Monopole和Loop

由于Monopole相比Dipole能減少一半尺寸，因此在早期的手機內置天線中也經常用到。如下圖所示，為了進一步降低Monopole的剖面尺寸，其輻射臂被折疊起來，且從饋電處開始有兩路分支，以用來實現雙頻諧振。

Monopole仿真示例

傳統的Loop天線為工作頻率的一個波長，為了縮減天線尺寸，根據鏡像原理可構造出如下圖所示的半波Loop天線：

Loop天線圖示

Monopole到IFA

在現如今智能手機的內部空間可謂是“寸土寸金”，小凈空下的單極子天線，其Smith圈往往比較靠外，不好匹配。如果按下圖所示，在饋電處并聯一個小電感，Smith圈就會縮小；除此之外，匹配良好的頻點則會偏移到低頻（如下圖黑色圓所示，并聯電感后該點能逆時針挪動到匹配中心），即并聯電感能進一步縮小天線尺寸（天線輻射效率可能有一定程度的下降！）。

如果將集總參數的并聯電感轉化為接地的微帶線，這即是IFA天線的雛形。此時可以通過變化接地微帶線尺寸對天線的工作頻率和阻抗特性進行調節，相較于單極子而言無需增加額外的匹配元件。

左圖為彎折的Monopole天線

右圖為彎折的IFA天線

資源分享

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本期原創工程師：94巨蟹座少年

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