毛 蕊

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣學(xué)院，天津 300350）

0 引 言

隨著電子通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，手機(jī)終端已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾M成部分。超輕薄、多功能、高速率、智能化，成為當(dāng)今衡量手機(jī)品質(zhì)的主要標(biāo)準(zhǔn)[1]。作為移動(dòng)終端收發(fā)信號(hào)的關(guān)鍵部件，手機(jī)天線的設(shè)計(jì)將直接影響整機(jī)的性能和外觀。如何適應(yīng)當(dāng)下市場(chǎng)需求，手機(jī)天線的設(shè)計(jì)正面臨新的問題和挑戰(zhàn)[2-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了很多不同的天線結(jié)構(gòu)或改進(jìn)方案[4-5]，手機(jī)天線從最初的外置天線到內(nèi)置天線，再到多種形式的結(jié)構(gòu)改進(jìn)型內(nèi)置天線，如不銹鋼天線（SUS Antenna）、雙色注塑天線、激光成型天線（LDS Antenna）、FPCB粘貼天線、后殼注塑天線、縫隙天線等[6]，目的是在越來(lái)越薄的手機(jī)有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)一種小型化、多頻帶工作的手機(jī)天線。本文針對(duì)手機(jī)天線的研究焦點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種新型的手機(jī)天線結(jié)構(gòu)?；谑謾C(jī)本身具備的屏蔽罩金屬材質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合屏蔽罩內(nèi)部隔柵分區(qū)方式和天線輻射特性進(jìn)行天線路徑（Pattern）設(shè)計(jì)，使得屏蔽罩具有手機(jī)天線輻射和屏蔽保護(hù)的雙重功能。該新型天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)設(shè)備對(duì)天線的體積小、易設(shè)計(jì)、寬頻帶、低成本、多功能復(fù)用和無(wú)損外觀的高標(biāo)準(zhǔn)需求。

1 天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

利用手機(jī)內(nèi)部的屏蔽罩金屬材質(zhì)特點(diǎn)，屏蔽罩一部分與主板地相連，起到對(duì)手機(jī)內(nèi)部器件屏蔽的作用，同時(shí)也用作天線的地饋線；屏蔽罩的另一部分通過(guò)金屬連接器與手機(jī)射頻發(fā)射接收端相連，作為天線的信號(hào)饋線，并結(jié)合該區(qū)域的天線路徑（即pattern）達(dá)到輻射功能。這樣屏蔽罩起到了手機(jī)內(nèi)部器件抗干擾和手機(jī)天線輻射的雙重功能，既節(jié)省了天線部品開發(fā)成本，又充分利用了手機(jī)內(nèi)較大面積的金屬部件。此外，屏蔽罩本身與手機(jī)主板地之間存在的距離（是為了避免與器件Pin點(diǎn)接觸造成短路），可以保證手機(jī)天線輻射對(duì)結(jié)構(gòu)高度的要求。同時(shí)，使用延伸出來(lái)的金屬進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，可以節(jié)省較大的支架天線或PEA天線所占用的手機(jī)空間，最主要的是去除了支架天線的連接pad點(diǎn)，大大增加了手機(jī)天線凈空區(qū)的面積，為天線良好輻射性能提供了保障。同時(shí)，屏蔽罩在手機(jī)內(nèi)部利用分區(qū)后的部分屏蔽罩進(jìn)行天線特殊pattern形狀處理，最終完成了手機(jī)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種新型結(jié)構(gòu)手機(jī)天線制作簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，且不影響手機(jī)外殼的設(shè)計(jì)，可以有效避免外界的接觸磨損，同時(shí)避免手觸摸帶來(lái)的信號(hào)干擾，保證了手機(jī)輻射全向的穩(wěn)定性。

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括手機(jī)金屬屏蔽罩和屏蔽罩內(nèi)側(cè)分區(qū)隔柵。它與電路板主地相連，并將屏蔽罩分為兩部分。一部分是屏蔽區(qū)域，需與主板地連接，主要用于手機(jī)內(nèi)部敏感器件或噪聲源器件的屏蔽作用（普通屏蔽罩作用），同時(shí)這一區(qū)域又是PIFA天線的地饋線；另一部分是射頻信號(hào)連接點(diǎn)和整個(gè)輻射pattern設(shè)計(jì)及注塑物填充區(qū)域。其中，主板電路上的功放信號(hào)發(fā)射端走線與一個(gè)獨(dú)立金屬螺絲孔或者一個(gè)clip連接器相連，再通過(guò)該連接器與屏蔽罩的輻射部分信號(hào)端連接，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)饋點(diǎn)與具有一定寬度的金屬天線pattern的連接。該pattern形狀根據(jù)天線性能要求具有不同的長(zhǎng)度和路徑，遵從波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系進(jìn)行天線pattern的調(diào)試。屏蔽罩天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基于手機(jī)電路板的屏蔽罩天線模型

圖2 手機(jī)屏蔽罩天線結(jié)構(gòu)

1.2 天線設(shè)計(jì)原理

該天線的工作原理：手機(jī)天線即利用一定寬度的金屬走線或者金屬部品作為pattern，一端與主板參考地相連作為地饋點(diǎn)，一端與信號(hào)發(fā)出端相連作為信號(hào)饋點(diǎn)，通過(guò)整個(gè)金屬回路實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的充分輻射。該新型天線首先是利用將手機(jī)內(nèi)部金屬部件屏蔽罩做成符合天線規(guī)則且又滿足電路板屏蔽要求的形狀，屏蔽區(qū)域仍使用連接器與PCB主板地相連起到屏蔽保護(hù)的作用，同時(shí)也用作天線的地饋點(diǎn)，而分區(qū)的另一端與射頻發(fā)射端的金屬clip連接器相連作為信號(hào)饋點(diǎn)。信號(hào)饋點(diǎn)通過(guò)金屬連接器與天線pattern連接構(gòu)成整個(gè)輻射天線部分。其次，屏蔽罩本身與主板地之間存在一定空間間隔（是為了避免與器件Pin點(diǎn)接觸短路），這樣同時(shí)滿足了手機(jī)天線輻射對(duì)結(jié)構(gòu)高度的要求。關(guān)鍵是通過(guò)屏蔽罩接地部分和信號(hào)輻射部分中間使用金屬隔柵分離，使得信號(hào)饋點(diǎn)距離地饋點(diǎn)之間有一定的間隔，以保證既不干擾屏蔽罩屏蔽效果，也不影響天線的輻射性能。輻射區(qū)域pattern間使用絕緣注塑物填充隔離加固，滿足屏蔽罩天線輻射功能。這樣整個(gè)手機(jī)的屏蔽罩就實(shí)現(xiàn)了屏蔽保護(hù)和天線輻射的雙重功能。

2 天線特性仿真及分析

以下是針對(duì)該新型天線進(jìn)行的可行性方案仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)HFSS仿真軟件模擬一個(gè)屏蔽罩天線環(huán)境進(jìn)行天線輻射性能仿真，確定此類型天線可以達(dá)到手機(jī)輻射效果和輻射性能的有效性。仿真模型如圖3所示，最下端的金屬?gòu)澢糠譃槠帘握痔炀€設(shè)計(jì)。

圖3 手機(jī)屏蔽罩天線仿真模型

圖4 說(shuō)明此天線輻射的電磁場(chǎng)分布，可以明確看到天線輻射的強(qiáng)弱、輻射位置和電流走向。此結(jié)果說(shuō)明，天線pattern主要輻射位置和強(qiáng)度集中在天線pattern和信號(hào)饋點(diǎn)區(qū)域，對(duì)于上方屏蔽罩屏蔽區(qū)域幾乎沒有影響；輻射性能主要靠主板的作用輻射，屏蔽罩仍然起到對(duì)內(nèi)部器件的屏蔽作用。

圖4 E場(chǎng)分布

對(duì)該機(jī)型屏蔽罩天線設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的多頻段S11回波損耗仿真（頻率范圍：0.5～3 GHz）。該類型天線可以達(dá)到低頻-10 dB，高頻約-15 dB的回波損耗值（S11取對(duì)數(shù)值計(jì)算）。仿真結(jié)果如圖5所示。參數(shù)S11是衡量從信號(hào)饋點(diǎn)輸入端共傳送多少能量到達(dá)天線的指標(biāo)。S11越低，表示從天線輸入端反射回饋入端的能量越少，送到天線的能量越多。一般要求手機(jī)天線S11滿足-10 dB（相對(duì)的VSWR的值為2）以下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，該天線可以達(dá)到手機(jī)天線輻射基本性能要求。

圖5 S11回波損耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果（頻率：0.5～3 GHz）

天線極化是描述天線輻射電磁波矢量空間指向的參數(shù)。圖6為該新型天線3D polar圖。可以看出，此天線具有極化性能，外圍輻射場(chǎng)強(qiáng)最大，內(nèi)圍表示輻射場(chǎng)強(qiáng)較弱。該屏蔽罩天線3D全方位輻射均勻且輻射強(qiáng)度良好，方向性均勻，說(shuō)明屏蔽罩天線輻射電磁波矢量在空間中的輻射強(qiáng)度能夠達(dá)到近場(chǎng)功率強(qiáng)度。

圖6 新型結(jié)構(gòu)天線3D極化圖

綜上所述，通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，該新型結(jié)構(gòu)的屏蔽罩天線可以達(dá)到手機(jī)天線輻射性能，且不影響屏蔽罩自身的屏蔽作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型手機(jī)天線結(jié)構(gòu)，利用手機(jī)本身具有的金屬屏蔽罩部品發(fā)揮天線作用，通過(guò)連接器分區(qū)格柵使屏蔽區(qū)與輻射區(qū)隔離。通過(guò)屏蔽罩自身與主板間的信號(hào)饋點(diǎn)、地饋點(diǎn)的連接關(guān)系和距離間隔，完成了天線凈空區(qū)和輻射路徑的設(shè)計(jì)調(diào)試。該設(shè)計(jì)一方面可節(jié)省單獨(dú)設(shè)計(jì)手機(jī)天線部品的成本，另一方面考慮手機(jī)高密度化布局要求，充分利用屏蔽罩金屬屬性和位置特點(diǎn)，縮小了天線區(qū)域的空間占用，使手機(jī)整體設(shè)計(jì)更輕薄。該新型天線帶寬為0.5～3 GHz。實(shí)驗(yàn)仿真證明，該頻段內(nèi)回波損耗低頻-10 dB，高頻約-15 dB，滿足手機(jī)天線性能要求，且在手機(jī)通信頻段內(nèi)具有良好的天線磁場(chǎng)分布和全向輻射性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。