1、手機天線在整機環境下的效率分析與仿真摘 要：本文建立了整機環境下的天線等效電路；該等效電路能夠簡單清晰地被用來分析天線的效率及其他指標。文章討論了天線在整機環境下效率損耗的各種來源以及相關的改進措施。通過在SEMCAD下仿真實際的手機天線模型，證實了由等效電路分析得出的結論。最后對實測與仿真在效率上的差異進行了分析。關鍵詞：手機天線，輻射效率，等效電路，手機仿真，SEMCADEfficiency Analysis and Simulation of Mobile Phone Antennas in the Whole Device Environment YANG zhenchao1, NIE

2、 zaiping1, ZONE xianzheng1，BAN yongling2 (School of Electronic Engineering, University of Electronic Technology and Science of China, Chengdu 610054)1(Shenzhen Huawei Communication Technology Company Ltd., Shenzhen 518129)2Abstract: In this paper, an equivalent circuit model of antennas under the wh

3、ole device circumstance is established, which can help analyzing the efficiency and other performance of antennas easily and clearly. Then the various sources causing the deterioration of the efficiency of antennas in the whole device environment and their relevance measures for improvement are disc

4、ussed. The conclusion from the analysis of the equivalent circuit is confirmed by simulating practical mobile phone model in SEMCAD. Finally, the difference in the antenna efficiency between measurement and simulation is analyzed.Keywords: Mobile phone antennas; Radiation efficiency; Equivalent circ

5、uit; Mobile phone simulation; SEMCAD1 引言移動通信的不斷發展對終端天線提出了寬頻帶、小型化、高效率等要求。其中提高手機天線的效率不僅是提高鏈路通信質量的要求，也是減少輻射能耗、改善手機內部電磁環境的要求。然而眾所周知手機內部是非常復雜的金屬介質混合結構，要提高手機天線的效率勢必要求設計者事先對手機各部分器件對效率的影響建立清晰的物理圖像，正確地理解各種效率損耗的來源。然后以此為基礎在設計過程中規避各種可能導致效率損耗的因素。另一方面，隨著計算電磁學和計算機的發展，復雜的精細結構已經能夠得到較為準確的仿真模擬。通過電磁仿真軟件對效率進行精確的模擬仿真，將幫助

6、天線工程師在設計的早期正確評估天線的性能，從而縮短研發的周期。合理地簡化模型并賦予合適的電磁參數以避免繁復的計算，同時保證仿真得到較為準確的結果，成為仿真手機天線中的關鍵問題1。本文首先回顧了天線效率的定義及其構成；通過建立整機環境下天線的等效電路，分析了影響天線性能特別是效率的因素并提出了相關的措施。然后我們對華為的一款手機天線進行了仿真，驗證了由等效電路分析得出的結論。最后討論了仿真與實測在天線效率方面差異的原因。2 天線的效率及等效電路2.1 自由空間中的天線天線的等效電路（如圖1所示）將天線看成帶損耗的諧振器。其損耗來自天線的輻射和歐姆損耗，而天線近場往復振蕩的能流，如同諧振器中的無功

7、功率，可以等效為由電容電感組成的諧振器。圖 1 自由空間中天線的等效電路由此可以將天線的Q值定義為：（1）不同于一般的諧振器，天線希望具有盡可能低的Q值以獲得寬帶、高輻射效率及低近場儲能等特性2。等效電路左端為匹配網絡，決定著天線與源之間的匹配情況。匹配作用可以來自于分布式或集總式的匹配電路，也可以源于天線自身結構所形成的等效電感電容。天線效率由輻射效率和匹配效率構成3，通過天線的等效電路可以清晰的看到效率的構成及基本的影響因素。天線效率的公式如下： （2） （3） （4）從公式可以看出，匹配效率可以通過匹配網絡來彌補，而提高輻射效率的途徑不外乎從提高輻射電阻Rr和降低損耗電阻Rl入手4。一方

8、面降低損耗電阻就要求選用高導電率的導體以及低損耗的介質。另一方面當天線電尺寸較小時，輻射電阻與天線的電尺寸緊密相關，電尺寸的縮小往往伴隨著輻射電阻的降低。輻射電阻的降低一般無法通過天線的阻抗值反映出而只能通過輻射效率來觀察，因為只有在天線自身結構沒有匹配作用即不會形成等效電容電感的情況下，輸入電阻才能看成是由輻射電阻和損耗電阻組成。2.2 整機環境下的天線整機環境包括電介質如手機外殼、按鍵、液晶屏等部件，磁介質如話筒、聽筒和揚聲器中的磁鐵，金屬如屏蔽罩、電池殼、振動器以及電路板包括柔性PCB板（FPCB）上復雜的金屬布線。下面將分析各部分對天線性能的影響。手機中電介質的介電常數及尺寸會影響天線

9、的諧振頻率，同時電介質的導電率及磁介質的磁滯效應會導致輻射效率的降低。各種金屬結構將改變天線的電流分布，造成諧振頻率的偏移。另外如果機內的電磁兼容沒有處理好，將導致電磁能量通過電路走線或是FPCB耦合入電路元件，不僅造成天線自身的輻射效率下降也將增加元器件工作時的背景噪聲。根據上述分析，可以對此時天線的等效電路進行修改，如圖2所示，整機環境的加載可以等效為電容的電介質加載、電感的磁介質加載以及電磁耦合，另一方面金屬的加載會改變輻射電阻、損耗電阻及天線結構的匹配效果。圖2 整機環境中天線的等效電路從上述分析可以看出，要改善整機環境下天線的效率，需要做到以下幾個方面：l 盡量選用低損耗的電介質和磁

10、介質；l 做好電磁兼容，包括屏蔽、接地、濾波和控制FPBC長度等方面；l 金屬部件布局妥當，與天線保持必要的距離；l 調節好天線結構或是匹配電路，使得匹配效率盡量高。由于整機環境實際上處于天線的近場區中，近場區的特點是相位變化劇烈、場的強度隨距離快速下降，為了盡量減小對天線的影響，各部件都應避免和天線距離過近，特別是高損耗的部件。3 實際天線的仿真本文的仿真平臺采用SEMCAD，手機天線的模型由華為公司提供。在仿真的過程中，對同一模型分別用寬帶和諧波兩種激勵模式進行饋電5。先用寬帶模式考察手機天線的阻抗特性，得到S11曲線。再利用諧波模式得到諧振頻率下天線的效率以及輻射特性。網格的剖分對結果影

11、響較大，合適的剖分精度需要權衡結果的準確度和運算時間6。對于最為重要的天線及饋電部分，其最大的網格步長設置為0.0015，而對于手機其他區域，為保證仿真的準確性，最大網格步長設置為0.07。寬帶模式下對整機進行剖分得到3.9M網格。原始的手機模型和原剖分后的模型如圖3所示。 圖3 原始手機模型及剖分后的模型為了簡化模型，手機內小于1mm3的器件不會進行剖分。通過搜集各部件的資料同時將仿真同實測數據進行比較和優化，設定各個部件的電磁參數如表1。表1 材料參數的設置電介質手機外殼0.012.8PCB介質0.014.4液晶玻璃0.023.5液晶介質0.14.5天線支架0.0052按鍵橡膠0.024金

12、屬5.8e71磁介質話筒/聽筒1.5e61e5將手機的所有部件分為三大類：l 介質器件，液晶屏、話筒、按鍵橡膠等；l 金屬器件，馬達、屏蔽蓋、電池等；l 手機外殼及按鍵。為考察整機環境對天線的影響，本文對五種情況進行了仿真：1整機；2去除機殼及按鍵的整機；3去除介質器件的整機；4去除金屬器件的整機；5只有天線及其支架和PCB板。仿真得到的S11曲線如圖4所示，五種情況下在諧振頻率處的輻射效率和匹配效率由表2給出。圖4 五種情況下天線的S11曲線表2 五種情況下的輻射、匹配和總效率輻射效率匹配效率總效率578.6%93.5%73.5%465.4%89.0%58.2%355.6%94.6%52.6

13、%269.6%97.7%68.0%154.4%94.2%51.2%圖4表明外殼按鍵這種體積大且具有一定介電常數的結構對手機天線頻率的影響最為劇烈；金屬器件對諧振頻率的影響也很大，這是由于金屬元件容易改變天線結構，從而造成天線電流路徑或是電流分布發生變化。而介質元器件由于其體積小分布零散對諧振頻率的影響有限。觀察表2，可以發現天線的支架、外殼和按鍵模塊對輻射效率的影響最大，一方面由于這些結構本身就是有耗的，另一方面由于具有一定的介電常數，這些結構可以使電場更加緊密地束縛在手機天線附近，從而使得更多的能量損耗在手機內部的各有耗器件上。金屬器件本身損耗并不大但是由于其能改變電流分布，使得電流更靠近有

14、耗的外殼和介質器件，從而降低天線的輻射效率。介質器件的有耗性決定了其降低輻射效率作用，但由于體積小且分布散所以介質器件降低的幅度并不大。根據上述仿真結果，可以看出：為提高天線的輻射效率，應選用低損耗和低介電常數的機殼、按鍵及介質器件，同時注意金屬器件盡可能避開高損耗的介質器件。4 與實測數據的差異分析該款手機天線是普通的單頻PIFA，其在整機環境下的實測諧振頻率為872MHz，總效率為35%。可以看出仿真得到的諧振頻率與實測值吻合很好，但是效率差異較大。原因分析如下：首先，在測量手機天線過程中沒有對饋電的同軸電纜進行無耗的扼流處理，加入鐵氧體環雖然能夠起到減小同軸電纜影響的效果，但它是以吸收一部分電纜外皮上的電流為代價，其結果是導致測試的輻射效率偏低。如果能通過無耗的巴倫來遏制同軸外皮上的電流，可以預期測量的輻射效率將會得