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具有全金屬外殼的手機天線設計

2016-07-13 信維科技

信維深圳R&D部 趙安平博士

      

       從工業設計的角度來看,移動設備比如手機,最好具有全金屬外殼(這里全金屬外殼可以包括移動設備的后殼與邊框),并且該金屬外殼需要具備手機天線的功能或作為手機天線的一部分,因為天線必須具備向外輻射的功能,顯然全封閉的金屬外殼是不可行的,因此為了使金屬外殼兼有天線的輻射功能,通常會對金屬外殼進行一些開縫的處理。目前一個較成功的具有金屬外殼的手機設計案例是HTC  One,特別的是,為了滿足天線輻射功能的要求,在HTC  One金屬后殼的頂端和底部各開了一條縫隙,再有,在HTC  One的設計中,金屬外殼只作為天線的一部分,在金屬外殼的內部還嵌有天線的主體部分。

       本文提出了一個完全利用金屬外殼作為手機天線的設計方案,這里完全的意思是指除手機的金屬外殼外,無需其他任何額外的天線輻射元件。圖1所示的是本文提出的基于全金屬外殼的手機天線模型,其中,手機的外圍尺寸由L(長度),W(寬度),和H(高度)來描述。在金屬后殼上開有一條寬度為Gap的縫隙,天線的饋電形式是對所開縫隙進行直接饋電,天線的饋電點在縫隙中的位置由參數a和d所決定。

       

   

       圖1:基于全金屬外殼的手機天線模型 



       天線設計的初始目標之一是獲得足夠的帶寬。要獲得更寬的帶寬,一種方式是增加/改變天線輻射元件的尺寸以及選用適當的天線匹配電路。對于本文提出的以金屬外殼形式存在的天線,金屬外殼的外圍尺寸一般是預先設計好的,因此通常不能再改變,但即使是在金屬外殼的外圍尺寸固定時,該天線的饋電位置將對天線的帶寬起到關鍵的作用,也就是說,該天線存在最佳的饋電位置,下面將對該最佳位置的選擇進行較詳細的描述。

       對于天線來說,獲得理想帶寬的可能性取決于它能達到的相對帶寬或帶寬潛力,相對帶寬或帶寬潛力越大,天線通過匹配電路能達到的帶寬越寬。天線可以達到的相對帶寬受到很多參數的影響,例如天線尺寸和饋電位置。為了減小天線設計周期,在設計匹配電路前最好能夠了解天線的相對帶寬或帶寬潛力。

       舉一個例子,以金屬外殼具有下面的尺寸為例說明如何選擇最佳饋電位置:金屬外殼的外圍長度L = 120毫米,寬度W = 60毫米,高度H = 8毫米,縫隙的寬度為Gap = 2毫米。

 

                                                                             圖2:天線在a = 20 毫米相對帶寬隨參數d的變化


                                                                           圖3:天線在a = 30 毫米其相對帶寬隨參數d 的變化

 

                                                                              圖4:天線在a = 40 毫米其相對帶寬隨參數d 的變化



      圖2為本移動設備的天線在參數 a = 20毫米 (d為變量) 時的天線相對帶寬圖;圖3為天線在a = 30毫米時的天線相對帶寬圖;圖4為天線在a = 40毫米時的其相對帶寬圖。從圖2 - 4可以看出,對于不同數值的參數a(20毫米、30毫米、40毫米)而言,當參數d = 10毫米時,天線在低頻波段和高頻波段可以同時獲得更好的相對帶寬。


                                                                              圖5:天線在d = 10 毫米其相對帶寬隨參數a 的變化



       圖5為當d固定在 d = 10毫米時,天線的相對帶寬隨a的變化趨勢。從圖5可以看出,盡管參數a越大,天線在低頻波段可以獲得更好的相對帶寬,但是當參數a = 30毫米時,天線在低頻波段和高頻波段可以同時獲得較好的相對帶寬。這里我們定義能同時對低頻波段和高頻波段獲得較好的帶寬的饋電位置為饋電點的最佳位置。


                                                                                                圖6:具有匹配電路的天線回波損耗圖



       圖6為具有匹配電路時天線的回波損耗圖(參數a 和d 取其最佳參數a = 30毫米,d = 10毫米時),其中匹配電路包含4個匹配元件。由圖6可以看出,天線在-6dB水平的回波損耗包含的頻率為795MHz-987MHz的低頻波段(覆蓋GSM850/900)和頻率為1705MHz-3305MHz的高頻波段(覆蓋GSM1800/1900、WCDMA2100和LTE2300/2500)。事實上,本設計方案中低頻波段主要靠的是金屬外殼較長部分的貢獻,而高頻波段主要由金屬外殼的較短部分主導。此外,與現有的基于全金屬外殼的手機天線設計方案比,本文提出的方案具有如下優點:設計難度低、制造成本低、可用性強,同時可以獲得較寬天線帶寬的特點。



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