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學(xué)個(gè)Antenna:手機(jī)天線入門

2022-01-11 來源:微波射頻網(wǎng) 作者:94巨蟹座少年 字號(hào):

學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主,理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄,包括天線入門知識(shí)以及各類天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過程及思路如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題,可以在文尾寫下留言。

摘要:

如今,智能手機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)中。除此之外,塑料中框+FPC天線方案也被廣泛應(yīng)用于中、低端機(jī)型。這些技術(shù)有效地?cái)U(kuò)展了天線的尺寸,使得它不再局限于智能手機(jī)內(nèi)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(dá)、大電池等元器件的堆疊,使得天線所能獲得的凈空區(qū)域愈加窄小。這直接導(dǎo)致天線性能的降級(jí),尤其是帶寬明顯變窄,天線總效率變低。為了在復(fù)雜環(huán)境下快速高效地進(jìn)行手機(jī)天線方案的預(yù)仿真、調(diào)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(jī)天線的類型

手機(jī)天線的發(fā)展經(jīng)歷了外置-內(nèi)置-開放式金屬中框天線這幾個(gè)階段。具體可以通過下面三個(gè)圖直觀感受一下:

手機(jī)天線的發(fā)展

                     

從左到右依次是:外置天線,內(nèi)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(dòng)電話領(lǐng)域中天線系列的第一個(gè)成員,它于1983年出現(xiàn)在第一臺(tái)商用手機(jī)Motorola DynaTAC 8000X。由于輻射天線外置能獲得較大的凈空區(qū),且天線周圍環(huán)境簡(jiǎn)單,因此天線性能良好。
  • 內(nèi)置天線出現(xiàn)在20世紀(jì)末,并獲得了廣泛的應(yīng)用并在在短短幾年內(nèi)風(fēng)靡全球。諾基亞3210于1999年投放市場(chǎng),獲得了巨大的成功。諾基亞也是第一家成功銷售帶有內(nèi)置天線的主流手機(jī)公司。
  • 金屬中框天線初創(chuàng)于iPhone 4。當(dāng)年喬布斯富有激情的向我們講解了iPhone 4手機(jī)最偉大的設(shè)計(jì)之一:獨(dú)具匠心地利用金屬中框充當(dāng)手機(jī)天線。iPhone 4手機(jī)的機(jī)身四周被兩條不銹鋼金屬所包裹,其巧妙地集成了UMTS、GSM網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS的天線。雖然當(dāng)時(shí)蘋果公司獨(dú)具匠心地將iPhone 4的手機(jī)天線和邊框整合在一起,使得整機(jī)一體化,更富有時(shí)尚氣息,但用戶一旦緊握手機(jī),就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)接收質(zhì)量下降。即便如此,IPhone 4敢于第一個(gè)吃螃蟹,也在一定程度上引領(lǐng)了現(xiàn)在旗艦機(jī)型的手機(jī)天線設(shè)計(jì)。

隨著時(shí)代的發(fā)展,手機(jī)從直板式,觸屏手機(jī),智能手機(jī),到現(xiàn)在朝著“一機(jī)在手,天下我有”的智慧手機(jī)發(fā)展,可謂是飛速更迭,百花齊放。除了功能上的日趨完善,現(xiàn)在的手機(jī)在外形上也是創(chuàng)新不斷:例如vivo搭載升降攝像頭的NEX,oppo雙軌潛望結(jié)構(gòu)將攝像頭隱藏在手機(jī)內(nèi)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(jī)——Mate X2,全球第一臺(tái)搭載1億像素相機(jī)的手機(jī)——小米Mix Alpha,把一塊柔性屏做成雙折的環(huán)繞屏手機(jī)。國產(chǎn)HOVM四大家可謂是“煞費(fèi)苦心”,“爭(zhēng)奇斗艷”。不過非常規(guī)結(jié)構(gòu)的智能機(jī)也給手機(jī)天線設(shè)計(jì)帶來了較大挑戰(zhàn)!(點(diǎn)擊下面小圖即可觀看高清大圖

不過,再花里胡哨的手機(jī),其天線設(shè)計(jì)方法和類型還是萬變不離其宗。關(guān)于手機(jī)天線設(shè)計(jì)入門,這里強(qiáng)烈推薦清華大學(xué)-張志軍撰寫的Antenna Design for Mobile Devices(文末有網(wǎng)盤分享下載鏈接)

特征模理論

特征模理論最開始由GarbaczA generalized expansion for radiated and scattered fields一文中提出,然后HarringtonMautzTheory of characteristic modes for conducting bodies中進(jìn)一步加以完善。

特征模理論最大的亮點(diǎn)在于:不考慮饋電結(jié)構(gòu)的情況下,可以給出任意形狀金屬結(jié)構(gòu)的所有輻射模式,類似于波導(dǎo)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(guān)于特征模的相關(guān)理論和公式可以參考文末的資源分享,這里我們將一個(gè)輻射模式的激勵(lì)程度定義為模式激勵(lì)系數(shù),這個(gè)系數(shù)的取值范圍為0~1,越接近于1則代表其越容易被激勵(lì)。

為了更直觀地理解這個(gè)專有名詞,我們對(duì)簡(jiǎn)單的dipole天線進(jìn)行特征模分析。(點(diǎn)擊下面小圖即可看清晰版本)

Dipole-Time Domain Solver

CST時(shí)域求解器:天線在6.185GHz和19.16GHz附近處于諧振狀態(tài)

Dipole-IntegralEq(Source type:CMA)

CST積分方程求解器,CMA激勵(lì)類型:天線在6.392GHz,13.16GHz,20.04GHz三個(gè)頻點(diǎn),其模式激勵(lì)系數(shù)達(dá)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(diǎn)落于Smith圓圖的純電阻線上。從CST時(shí)域求解器仿真結(jié)果可以看出,6.185GHz和19.16GHz兩個(gè)頻點(diǎn)在純電阻線附近,兩者之間還有一個(gè)頻點(diǎn)靠近開路點(diǎn)。從S11上來看,難以分辨出其屬于諧振狀態(tài)。而在CST積分方程求解器的仿真結(jié)果則可以很清晰地看出在定義的仿真頻段內(nèi),6.392GHz,13.16GHz,20.04GHz三個(gè)頻點(diǎn)的模式激勵(lì)系數(shù)達(dá)到峰值。特征模方法對(duì)天線設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義:即給定任意結(jié)構(gòu)輻射金屬,可以從理論上求解出所有能激勵(lì)的輻射模式,且各模式之間滿足正交性

Dipole模式分析:點(diǎn)擊下面小圖即可看清晰版本

  

可以看出,幾個(gè)不同頻點(diǎn)狀態(tài)下,其電流分布不同,這其實(shí)就是對(duì)應(yīng)于理論上不同電長(zhǎng)度下,Dipole上的電流分布。這里簡(jiǎn)單定義上圖從左到右依次為Dipole的1/2波長(zhǎng)模式,全波長(zhǎng)模式和3/2波長(zhǎng)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(jī)內(nèi)置天線中也經(jīng)常用到。如下圖所示,為了進(jìn)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(shí)現(xiàn)雙頻諧振。

Monopole仿真示例

傳統(tǒng)的Loop天線為工作頻率的一個(gè)波長(zhǎng),為了縮減天線尺寸,根據(jù)鏡像原理可構(gòu)造出如下圖所示的半波Loop天線:

Loop天線圖示

Monopole到IFA

在現(xiàn)如今智能手機(jī)的內(nèi)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(lián)一個(gè)小電感,Smith圈就會(huì)縮小;除此之外,匹配良好的頻點(diǎn)則會(huì)偏移到低頻(如下圖黑色圓所示,并聯(lián)電感后該點(diǎn)能逆時(shí)針挪動(dòng)到匹配中心),即并聯(lián)電感能進(jìn)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(shù)的并聯(lián)電感轉(zhuǎn)化為接地的微帶線,這即是IFA天線的雛形。此時(shí)可以通過變化接地微帶線尺寸對(duì)天線的工作頻率和阻抗特性進(jìn)行調(diào)節(jié),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(chuàng)工程師:94巨蟹座少年

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