毛 蕊

（天津機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣學院，天津 300350）

0 引 言

隨著電子通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，手機終端已經(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，成為當今衡量手機品質(zhì)的主要標準[1]。作為移動終端收發(fā)信號的關鍵部件，手機天線的設計將直接影響整機的性能和外觀。如何適應當下市場需求，手機天線的設計正面臨新的問題和挑戰(zhàn)[2-3]。

近年來，國內(nèi)外眾多學者提出了很多不同的天線結(jié)構(gòu)或改進方案[4-5]，手機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]，目的是在越來越薄的手機有限空間內(nèi)設計一種小型化、多頻帶工作的手機天線。本文針對手機天線的研究焦點和發(fā)展趨勢，提出了一種新型的手機天線結(jié)構(gòu)?；谑謾C本身具備的屏蔽罩金屬材質(zhì)特點，結(jié)合屏蔽罩內(nèi)部隔柵分區(qū)方式和天線輻射特性進行天線路徑（Pattern）設計，使得屏蔽罩具有手機天線輻射和屏蔽保護的雙重功能。該新型天線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了手機設備對天線的體積小、易設計、寬頻帶、低成本、多功能復用和無損外觀的高標準需求。

1 天線結(jié)構(gòu)和設計原理

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

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)設計如圖1所示，包括手機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），同時這一區(qū)域又是PIFA天線的地饋線；另一部分是射頻信號連接點和整個輻射pattern設計及注塑物填充區(qū)域。其中，主板電路上的功放信號發(fā)射端走線與一個獨立金屬螺絲孔或者一個clip連接器相連，再通過該連接器與屏蔽罩的輻射部分信號端連接，從而實現(xiàn)射頻信號饋點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度和路徑，遵從波長與頻率的關系進行天線pattern的調(diào)試。屏蔽罩天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基于手機電路板的屏蔽罩天線模型

圖2 手機屏蔽罩天線結(jié)構(gòu)

1.2 天線設計原理

該天線的工作原理：手機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，一端與信號發(fā)出端相連作為信號饋點，通過整個金屬回路實現(xiàn)高頻信號的充分輻射。該新型天線首先是利用將手機內(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的作用，同時也用作天線的地饋點，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饋點。信號饋點通過金屬連接器與天線pattern連接構(gòu)成整個輻射天線部分。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點接觸短路），這樣同時滿足了手機天線輻射對結(jié)構(gòu)高度的要求。關鍵是通過屏蔽罩接地部分和信號輻射部分中間使用金屬隔柵分離，使得信號饋點距離地饋點之間有一定的間隔，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。這樣整個手機的屏蔽罩就實現(xiàn)了屏蔽保護和天線輻射的雙重功能。

2 天線特性仿真及分析

以下是針對該新型天線進行的可行性方案仿真實驗驗證。通過HFSS仿真軟件模擬一個屏蔽罩天線環(huán)境進行天線輻射性能仿真，確定此類型天線可以達到手機輻射效果和輻射性能的有效性。仿真模型如圖3所示，最下端的金屬彎曲部分為屏蔽罩天線設計。

圖3 手機屏蔽罩天線仿真模型

圖4 說明此天線輻射的電磁場分布，可以明確看到天線輻射的強弱、輻射位置和電流走向。此結(jié)果說明，天線pattern主要輻射位置和強度集中在天線pattern和信號饋點區(qū)域，對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，屏蔽罩仍然起到對內(nèi)部器件的屏蔽作用。

圖4 E場分布

對該機型屏蔽罩天線設計進行相應的多頻段S11回波損耗仿真（頻率范圍：0.5～3 GHz）。該類型天線可以達到低頻-10 dB，高頻約-15 dB的回波損耗值（S11取對數(shù)值計算）。仿真結(jié)果如圖5所示。參數(shù)S11是衡量從信號饋點輸入端共傳送多少能量到達天線的指標。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。一般要求手機天線S11滿足-10 dB（相對的VSWR的值為2）以下。實驗結(jié)果說明，該天線可以達到手機天線輻射基本性能要求。

圖5 S11回波損耗實驗結(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?？梢钥闯觯颂炀€具有極化性能，外圍輻射場強最大，內(nèi)圍表示輻射場強較弱。該屏蔽罩天線3D全方位輻射均勻且輻射強度良好，方向性均勻，說明屏蔽罩天線輻射電磁波矢量在空間中的輻射強度能夠達到近場功率強度。

圖6 新型結(jié)構(gòu)天線3D極化圖

綜上所述，通過以上仿真實驗說明，該新型結(jié)構(gòu)的屏蔽罩天線可以達到手機天線輻射性能，且不影響屏蔽罩自身的屏蔽作用。

3 結(jié) 語

本文設計了一種新型手機天線結(jié)構(gòu)，利用手機本身具有的金屬屏蔽罩部品發(fā)揮天線作用，通過連接器分區(qū)格柵使屏蔽區(qū)與輻射區(qū)隔離。通過屏蔽罩自身與主板間的信號饋點、地饋點的連接關系和距離間隔，完成了天線凈空區(qū)和輻射路徑的設計調(diào)試。該設計一方面可節(jié)省單獨設計手機天線部品的成本，另一方面考慮手機高密度化布局要求，充分利用屏蔽罩金屬屬性和位置特點，縮小了天線區(qū)域的空間占用，使手機整體設計更輕薄。該新型天線帶寬為0.5～3 GHz。實驗仿真證明，該頻段內(nèi)回波損耗低頻-10 dB，高頻約-15 dB，滿足手機天線性能要求，且在手機通信頻段內(nèi)具有良好的天線磁場分布和全向輻射性，具有較高的實用價值。