【資料分享】HFSS為智能手機(jī)開發(fā)可靠天線

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1983年推出的第一款商業(yè)化手機(jī)在當(dāng)時被更多地視為昂貴的新奇事物,而非一種必備工具。這款手機(jī)重約2磅,售價相當(dāng)于今天的9,000多美元,因其體積大而眾所周知,在它10英寸長的機(jī)身頂端還可延伸出一條超過5英寸長的橡膠鞭天線。盡管它的外觀尺寸如此巨大,但是它的電池充一次電,只能維持30分鐘的通話。

在過去三十年里,移動電話技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)代發(fā)展,與此同時,迅速擴(kuò)展的特性被集成到更加小巧、輕便、廉價的封裝里?，F(xiàn)代移動設(shè)備更像是高度便攜的個人計算機(jī)而非電話。然而,決定設(shè)備無論在何處都能夠進(jìn)行自由通信的一個很大因素,仍然是它的天線。對移動電話行業(yè)來說,要想設(shè)計出外形小巧的手機(jī),結(jié)構(gòu)簡單的多頻帶和寬頻帶內(nèi)置天線已經(jīng)成為一項必須面對的挑戰(zhàn)。電話制造商在不斷生產(chǎn)具有更多選項的器件的同時,必須保持生產(chǎn)成本低廉。所有這些多樣化的功能彼此影響,在天線設(shè)計的原有挑戰(zhàn)之上再添難度。

要想設(shè)計出外形小巧的手機(jī),結(jié)構(gòu)簡單的多頻帶和寬頻帶內(nèi)置天線已經(jīng)成為移動電話行業(yè)必須面對的一項挑戰(zhàn)。

▲上圖:幾何結(jié)構(gòu)圖所示的是器件PCB上建議的耦合饋入印刷天線設(shè)計的位置。下圖:天線金屬圖案的尺寸(單位:mm)。輻射帶位于頂部邊緣。薄電感短路帶沿著輻射帶的左側(cè)延伸。T形耦合電容帶位于右側(cè)輻射帶的下方。

工程師團(tuán)隊使用ANSYS HFSS設(shè)計的小型多頻帶內(nèi)置天線能夠跨越八個不同頻帶工作。

在中國江南電子通信研究所,一個工程師團(tuán)隊使用ANSYS HFSS設(shè)計出的小型內(nèi)置多頻帶天線能跨越八個不同頻帶工作。如果無線設(shè)備想要用作電話和計算機(jī)時都能正常工作,就需要能發(fā)送和接收寬頻帶信號(824MHz到2,690MHz)、多頻帶信號(GSM:850MHz、900MHz、1,800MHz和1,900MHz;UMTS:1,920MHz到2,170MHz;WLAN:2,400MHz;以及WiMAX:2,300MHz、2,500MHz)。WLAN、WWAN和WiMAX都是最流行的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)類型,而WLAN 2,400MHz屬于藍(lán)牙連接所需的頻率。GSM和UMTS頻帶則用于全球手機(jī)通信,包括2G、3G、3.5G和4G LTE。

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在多頻帶信號和寬頻帶信號的頻率范圍內(nèi),測得的反射損耗值(單位:dB)與采用ANSYS HFSS預(yù)測的反射損耗值的對比。虛線表示電壓駐波比(VSWR)的等效值,用于表現(xiàn)指示頻率上的阻抗匹配度。

▲制成的內(nèi)置平面印刷天線的前視圖(左)和后視圖(右)

▲頻率為900MHz(左)、1,900MHz(中)和2,600MHz(右)的建議天線設(shè)計的金屬部分表面電流密度等值線圖。顏色代表電流密度,紅色為最強。

▲在頻率為(a) 900 MHz、(b) 1,900 MHz和(c) 2,600 MHz時,測得的建議天線的輻射圖

該團(tuán)隊使用仿真技術(shù)研究了各種天線設(shè)計。他們改變輻射、耦合和電感短路帶的長度和寬度,以及短路和饋入引腳的位置。為了進(jìn)行HFSS仿真而修改尺寸會帶來散射參數(shù)(S參數(shù))的顯著改變,尤其是反射損耗(S11)。反射損耗可以用于判斷天線在不同頻率下的性能。為了改善824MHz到2,500MHz頻率范圍內(nèi)的反射損耗值,該團(tuán)隊優(yōu)化了尺寸。

判斷天線性能的其它方法還有電流分布法、遠(yuǎn)場方向法、增益和天線效率法。該團(tuán)隊仿真了天線在900MHz、1,900MHz和2,600MHz頻率下的電流分布和遠(yuǎn)場方向圖。輻射帶和短路帶上強大的表面電流分配說明這些走線是支持天線在較低頻率頻帶下工作的主要原因。長耦合帶控制著1,900MHz下的諧振模態(tài),而短耦合帶控制著2.600MHz下的諧振模態(tài)。各向垂直極化的平滑變化說明天線覆蓋良好。

在較低頻率下,輻射頻率曾發(fā)生過50%到64%的變化,在較高頻率下,曾發(fā)生過62%到77%的變化,而天線效率只要大于45%就足以滿足移動電話的實際應(yīng)用需求。

最后經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計需要15mm x 45mm的適中PCB面積(不含頂部或底部的接地面)。該天線設(shè)計由輻射帶、電感短路帶和耦合帶組成。輻射帶最長,位于PCB接地面外的頂部邊緣。電感短路帶僅為0.5mm寬,通過PCB上的孔讓系統(tǒng)短接到地。耦合帶位于輻射帶和電感短路帶之間。耦合帶可為輻射帶和電感短路帶提供激勵電壓。輻射帶和電感短路帶一起提供低頻段的GSM諧振。耦合帶有兩個分支,可生成1,710到2,690MHz的較寬的高頻帶。

◤根據(jù)仿真和實驗結(jié)果,該設(shè)計適合直接印刷在器件的系統(tǒng)PCB上。◢

為確認(rèn)HFSS仿真結(jié)果,團(tuán)隊使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和消聲室測試了該天線。由于天線印刷在PCB上,團(tuán)隊使用50歐姆的同軸饋入信號在天線饋入點上激勵天線。為仿真真實情況,測試中也使用了1mm厚的塑料外殼,外殼和PCB之間的間距為1mm,再現(xiàn)了手機(jī)的構(gòu)造。仿真得到的反射損耗值與通過物理實驗得到的實際反射損耗值非常吻合。

在使用仿真工具之前,工程師不得不先構(gòu)建原型,然后使用能夠確保仿真結(jié)果的相同設(shè)置單獨地測試每一個設(shè)計方案。這是一種非常低效的方法,每一項待評估的設(shè)計都要花費數(shù)星期,幾乎沒有時間去優(yōu)化和測試那些創(chuàng)新性改進(jìn)。

▲測得的建議天線的輻射效率和天線增益: (a) GSM 850/900 MHz頻段;(b) GSM 1,800/1,900 MHz/UMTS 2,100 MHz和 WLAN 2,400 MHz/WiMAX 2,300/2,500 MHz頻段

在設(shè)計過程中引入ANSYS HFSS之后,該團(tuán)隊在構(gòu)建原型之前就研究了多種天線的配置,并優(yōu)化了設(shè)計,從而節(jié)省了20%的物料成本。工程師能夠運行20種不同仿真來分析各種天線的配置,并僅用三天時間就完成最終設(shè)計的優(yōu)化。

通過ANSYS HFSS預(yù)測得到的天線阻抗匹配性能結(jié)果與工程團(tuán)隊采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀取得的實驗數(shù)據(jù)非常吻合。根據(jù)仿真和實驗結(jié)果,該設(shè)計適合直接印刷在器件的系統(tǒng)PCB上。加上它的制造成本低廉,使得這種天線成為移動電話應(yīng)用的一個極具吸引力的選擇。

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