手機天線在整機環(huán)境下的效率分析與仿真

手機天線在整機環(huán)境下的效率分析與仿真摘要：本文建立了整機環(huán)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(biāo)。文章討論了天線在整機環(huán)境下效率損耗的各種來源以及相關(guān)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(jié)論。最后對實測與仿真在效率上的差異進行了分析。關(guān)鍵詞：手機天線，輻射效率，等效電路，手機仿真，SEMCADEfficiencyAnalysisandSimulationofMobilePhone

AntennasintheWholeDeviceEnvironmentYANGzhenchao1,NIEzaiping1,ZONExianzheng1，BANyongling2(SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicTechnologyandScienceofChina,Chengdu610054)1

(ShenzhenHuaweiCommunicationTechnologyCompanyLtd.,Shenzhen518129)2Abstract:Inthispaper,anequivalentcircuitmodelofantennasunderthewholedevicecircumstanceisestablished,whichcanhelpanalyzingtheefficiencyandotherperformanceofantennaseasilyandclearly.Thenthevarioussourcescausingthedeteriorationoftheefficiencyofantennasinthewholedeviceenvironmentandtheirrelevancemeasuresforimprovementarediscussed.TheconclusionfromtheanalysisoftheequivalentcircuitisconfirmedbysimulatingpracticalmobilephonemodelinSEMCAD.Finally,thedifferenceintheantennaefficiencybetweenmeasurementandsimulationisanalyzed.Keywords:Mobilephoneantennas;Radiationefficiency;Equivalentcircuit;Mobilephonesimulation;SEMCAD1引言移動通信的不斷發(fā)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(zhì)量的要求，也是減少輻射能耗、改善手機內(nèi)部電磁環(huán)境的要求。然而眾所周知手機內(nèi)部是非常復(fù)雜的金屬介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)，要提高手機天線的效率勢必要求設(shè)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(chǔ)在設(shè)計過程中規(guī)避各種可能導(dǎo)致效率損耗的因素。另一方面，隨著計算電磁學(xué)和計算機的發(fā)展，復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠得到較為準(zhǔn)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，將幫助天線工程師在設(shè)計的早期正確評估天線的性能，從而縮短研發(fā)的周期。合理地簡化模型并賦予合適的電磁參數(shù)以避免繁復(fù)的計算，同時保證仿真得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，成為仿真手機天線中的關(guān)鍵問題[1]。本文首先回顧了天線效率的定義及其構(gòu)成；通過建立整機環(huán)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(guān)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(jié)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(fù)振蕩的能流，如同諧振器中的無功功率，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(wǎng)絡(luò)，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(jié)構(gòu)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(gòu)成[3]，通過天線的等效電路可以清晰的看到效率的構(gòu)成及基本的影響因素。天線效率的公式如下：（2）（3）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%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(shù)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，從而造成天線電流路徑或是電流分布發(fā)生變化。而介質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)本身就是有耗的，另一方面由于具有一定的介電常數(shù)，這些結(jié)構(gòu)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(nèi)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，使得電流更靠近有耗的外殼和介質(zhì)器件，從而降低天線的輻射效率。介質(zhì)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(zhì)器件降低的幅度并不大。根據(jù)上述仿真結(jié)果，可以看出：為提高天線的輻射效率，應(yīng)選用低損耗和低介電常數(shù)的機殼、按鍵及介質(zhì)器件，同時注意金屬器件盡可能避開高損耗的介質(zhì)器件。4與實測數(shù)據(jù)的差異分析該款手機天線是普通的單頻PIFA，其在整機環(huán)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(huán)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(jié)果是導(dǎo)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(yù)期測量的輻射效率將會得到提高[7]。其次，在仿真方面，建立的模型對細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特別是有耗元器件及饋電結(jié)構(gòu)的簡化是否會對仿真結(jié)果造成影響還有待進一步的研究。5結(jié)論本文建立了整