借ANSYS HFSS为智能手机开发可靠天线

借ANSYS HFSS为智能手机开发可靠天线

1983年推出的第一款商业化手机在当时被更多地视为昂贵的新奇事物,而非一种必备工具。这款手机重约2磅,售价相当于今天的9,000多美元,因其体积大而众所周知,在它10英寸长的机身顶端还可延伸出一条超过5英寸长的橡胶鞭天线。尽管它的外观尺寸如此巨大,但是它的电池充一次电,只能维持30分钟的通话。
在过去三十年里,移动电话技术已经经历了数代发展,与此同时,迅速扩展的特性被集成到更加小巧、轻便、廉价的封装里。现代移动设备更像是高度便携的个人计算机而非电话。然而,决定设备无论在何处都能够进行自由通信的一个很大因素,仍然是它的天线。对移动电话行业来说,要想设计出外形小巧的手机,结构简单的多频带和宽频带内置天线已经成为一项必须面对的挑战。电话制造商在不断生产具有更多选项的器件的同时,必须保持生产成本低廉。所有这些多样化的功能彼此影响,在天线设计的原有挑战之上再添难度。
要想设计出外形小巧的手机,结构简单的多频带和宽频带内置天线已经成为移动电话行业必须面对的一项挑战。


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▲上图:几何结构图所示的是器件PCB上建议的耦合馈入印刷天线设计的位置。下图:天线金属图案的尺寸(单位:mm)。辐射带位于顶部边缘。薄电感短路带沿着辐射带的左侧延伸。T形耦合电容带位于右侧辐射带的下方。
工程师团队使用ANSYS HFSS设计的小型多频带内置天线能够跨越八个不同频带工作。
在中国江南电子通信研究所,一个工程师团队使用ANSYS HFSS设计出的小型内置多频带天线能跨越八个不同频带工作。如果无线设备想要用作电话和计算机时都能正常工作,就需要能发送和接收宽频带信号(824MHz到2,690MHz)、多频带信号(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网络类型,而WLAN 2,400MHz属于蓝牙连接所需的频率。GSM和UMTS频带则用于全球手机通信,包括2G、3G、3.5G和4G LTE。


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▲在多频带信号和宽频带信号的频率范围内,测得的反射损耗值(单位:dB)与采用ANSYS HFSS预测的反射损耗值的对比。虚线表示电压驻波比(VSWR)的等效值,用于表现指示频率上的阻抗匹配度。
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▲制成的内置平面印刷天线的前视图(左)和后视图(右)
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▲频率为900MHz(左)、1,900MHz(中)和2,600MHz(右)的建议天线设计的金属部分表面电流密度等值线图。颜色代表电流密度,红色为最强。
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▲在频率为(a) 900 MHz、(b) 1,900 MHz和(c) 2,600 MHz时,测得的建议天线的辐射图
该团队使用仿真技术研究了各种天线设计。他们改变辐射、耦合和电感短路带的长度和宽度,以及短路和馈入引脚的位置。为了进行HFSS仿真而修改尺寸会带来散射参数(S参数)的显著改变,尤其是反射损耗(S11)。反射损耗可以用于判断天线在不同频率下的性能。为了改善824MHz到2,500MHz频率范围内的反射损耗值,该团队优化了尺寸。


判断天线性能的其它方法还有电流分布法、远场方向法、增益和天线效率法。该团队仿真了天线在900MHz、1,900MHz和2,600MHz频率下的电流分布和远场方向图。辐射带和短路带上强大的表面电流分配说明这些走线是支持天线在较低频率频带下工作的主要原因。长耦合带控制着1,900MHz下的谐振模态,而短耦合带控制着2.600MHz下的谐振模态。各向垂直极化的平滑变化说明天线覆盖良好。
在较低频率下,辐射频率曾发生过50%到64%的变化,在较高频率下,曾发生过62%到77%的变化,而天线效率只要大于45%就足以满足移动电话的实际应用需求。
最后经过优化的设计需要15mm x 45mm的适中PCB面积(不含顶部或底部的接地面)。该天线设计由辐射带、电感短路带和耦合带组成。辐射带最长,位于PCB接地面外的顶部边缘。电感短路带仅为0.5mm宽,通过PCB上的孔让系统短接到地。耦合带位于辐射带和电感短路带之间。耦合带可为辐射带和电感短路带提供激励电压。辐射带和电感短路带一起提供低频段的GSM谐振。耦合带有两个分支,可生成1,710到2,690MHz的较宽的高频带。
◤根据仿真和实验结果,该设计适合直接印刷在器件的系统PCB上。◢
为确认HFSS仿真结果,团队使用矢量网络分析仪(VNA)和消声室测试了该天线。由于天线印刷在PCB上,团队使用50欧姆的同轴馈入信号在天线馈入点上激励天线。为仿真真实情况,测试中也使用了1mm厚的塑料外壳,外壳和PCB之间的间距为1mm,再现了手机的构造。仿真得到的反射损耗值与通过物理实验得到的实际反射损耗值非常吻合。
在使用仿真工具之前,工程师不得不先构建原型,然后使用能够确保仿真结果的相同设置单独地测试每一个设计方案。这是一种非常低效的方法,每一项待评估的设计都要花费数星期,几乎没有时间去优化和测试那些创新性改进。


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▲测得的建议天线的辐射效率和天线增益: (a) GSM 850/900 MHz频段;(b) GSM 1,800/1,900 MHz/UMTS 2,100 MHz和 WLAN 2,400 MHz/WiMAX 2,300/2,500 MHz频段
在设计过程中引入ANSYS HFSS之后,该团队在构建原型之前就研究了多种天线的配置,并优化了设计,从而节省了20%的物料成本。工程师能够运行20种不同仿真来分析各种天线的配置,并仅用三天时间就完成最终设计的优化。
通过ANSYS HFSS预测得到的天线阻抗匹配性能结果与工程团队采用矢量网络分析仪取得的实验数据非常吻合。根据仿真和实验结果,该设计适合直接印刷在器件的系统PCB上。加上它的制造成本低廉,使得这种天线成为移动电话应用的一个极具吸引力的选择。