手机天线在整机环境下的效率分析与仿真

手机天线在整机环境下的效率分析与仿真摘要：本文建立了整机环境下的天线等效电路；该等效电路能够简单清晰地被用来分析天线的效率及其他指标。

文章讨论了天线在整机环境下效率损耗的各种来源以及相关的改进措施。

通过在SEMCAD下仿真实际的手机天线模型，证实了由等效电路分析得出的结论。

最后对实测与仿真在效率上的差异进行了分析。

关键词：手机天线，辐射效率，等效电路，手机仿真，SEMCADEfficiency Analysis and Simulation of Mobile PhoneAntennas in the Whole Device EnvironmentYANG zhenchao1, NIE zaiping1, ZONE xianzheng1，BAN yongling2(School of Electronic Engineering, University of Electronic Technology and Science of China, Chengdu 610054)1 (Shenzhen Huawei Communication Technology Company Ltd., Shenzhen 518129)2Abstract: In this paper, an equivalent circuit model of antennas under the whole device circumstance is established, which can help analyzing the efficiency and other performance of antennas easily and clearly. Then the various sources causing the deterioration of the efficiency of antennas in the whole device environment and their relevance measures for improvement are discussed. The conclusion from the analysis of the equivalent circuit is confirmed by simulating practical mobile phone model in SEMCAD. Finally, the difference in the antenna efficiency between measurement and simulation is analyzed.Keywords: Mobile phone antennas; Radiation efficiency; Equivalent circuit; Mobile phone simulation; SEMCAD1 引言移动通信的不断发展对终端天线提出了宽频带、小型化、高效率等要求。

其中提高手机天线的效率不仅是提高链路通信质量的要求，也是减少辐射能耗、改善手机内部电磁环境的要求。

然而众所周知手机内部是非常复杂的金属介质混合结构，要提高手机天线的效率势必要求设计者事先对手机各部分器件对效率的影响建立清晰的物理图像，正确地理解各种效率损耗的来源。

然后以此为基础在设计过程中规避各种可能导致效率损耗的因素。

另一方面，随着计算电磁学和计算机的发展，复杂的精细结构已经能够得到较为准确的仿真模拟。

通过电磁仿真软件对效率进行精确的模拟仿真，将帮助天线工程师在设计的早期正确评估天线的性能，从而缩短研发的周期。

合理地简化模型并赋予合适的电磁参数以避免繁复的计算，同时保证仿真得到较为准确的结果，成为仿真手机天线中的关键问题[1]。

本文首先回顾了天线效率的定义及其构成；通过建立整机环境下天线的等效电路，分析了影响天线性能特别是效率的因素并提出了相关的措施。

然后我们对华为的一款手机天线进行了仿真，验证了由等效电路分析得出的结论。

最后讨论了仿真与实测在天线效率方面差异的原因。

2 天线的效率及等效电路2.1 自由空间中的天线天线的等效电路（如图1所示）将天线看成带损耗的谐振器。

其损耗来自天线的辐射和欧姆损耗，而天线近场往复振荡的能流，如同谐振器中的无功功率，可以等效为由电容电感组成的谐振器。

图 1 自由空间中天线的等效电路由此可以将天线的Q 值定义为：（1）不同于一般的谐振器，天线希望具有尽可能低的Q 值以获得宽带、高辐射效率及低近场储能等特性[2]。

等效电路左端为匹配网络，决定着天线与源之间的匹配情况。

匹配作用可以来自于分布式或集总式的匹配电路，也可以源于天线自身结构所形成的等效电感电容。

天线效率由辐射效率和匹配效率构成[3]，通过天线的等效电路可以清晰的看到效率的构成及基本的影响因素。

天线效率的公式如下：r rad r lR R R η=+ （2） 21mat η=-Γ （3）r l X Q R R ===+单位时间的储能中心频率单位时间的耗能频带宽度2(1)r sys mat rad r lR R R ηηη=∙=-Γ∙+ （4） 从公式可以看出，匹配效率可以通过匹配网络来弥补，而提高辐射效率的途径不外乎从提高辐射电阻R r 和降低损耗电阻R l 入手[4]。

一方面降低损耗电阻就要求选用高导电率的导体以及低损耗的介质。

另一方面当天线电尺寸较小时，辐射电阻与天线的电尺寸紧密相关，电尺寸的缩小往往伴随着辐射电阻的降低。

辐射电阻的降低一般无法通过天线的阻抗值反映出而只能通过辐射效率来观察，因为只有在天线自身结构没有匹配作用即不会形成等效电容电感的情况下，输入电阻才能看成是由辐射电阻和损耗电阻组成。

2.2 整机环境下的天线整机环境包括电介质如手机外壳、按键、液晶屏等部件，磁介质如话筒、听筒和扬声器中的磁铁，金属如屏蔽罩、电池壳、振动器以及电路板包括柔性PCB 板（FPCB ）上复杂的金属布线。

下面将分析各部分对天线性能的影响。

手机中电介质的介电常数及尺寸会影响天线的谐振频率，同时电介质的导电率及磁介质的磁滞效应会导致辐射效率的降低。

各种金属结构将改变天线的电流分布，造成谐振频率的偏移。

另外如果机内的电磁兼容没有处理好，将导致电磁能量通过电路走线或是FPCB 耦合入电路元件，不仅造成天线自身的辐射效率下降也将增加元器件工作时的背景噪声。

根据上述分析，可以对此时天线的等效电路进行修改，如图2所示，整机环境的加载可以等效为电容的电介质加载、电感的磁介质加载以及电磁耦合，另一方面金属的加载会改变辐射电阻、损耗电阻及天线结构的匹配效果。

图2 整机环境中天线的等效电路从上述分析可以看出，要改善整机环境下天线的效率，需要做到以下几个方面：● 尽量选用低损耗的电介质和磁介质；● 做好电磁兼容，包括屏蔽、接地、滤波和控制FPBC 长度等方面；● 金属部件布局妥当，与天线保持必要的距离；● 调节好天线结构或是匹配电路，使得匹配效率尽量高。

由于整机环境实际上处于天线的近场区中，近场区的特点是相位变化剧烈、场的强度随距离快速下降，为了尽量减小对天线的影响，各部件都应避免和天线距离过近，特别是高损耗的部件。

3 实际天线的仿真本文的仿真平台采用SEMCAD ，手机天线的模型由华为公司提供。

在仿真的过程中，对同一模型分别用宽带和谐波两种激励模式进行馈电[5]。

先用宽带模式考察手机天线的阻抗特性，得到S11曲线。

再利用谐波模式得到谐振频率下天线的效率以及辐射特性。

网格的剖分对结果影响较大，合适的剖分精度需要权衡结果的准确度和运算时间[6]。

对于最为重要的天线及馈电部分，其最大的网格步长设置为0.0015λ，而对于手机其他区域，为保证仿真的准确性，最大网格步长设置为0.07λ。

宽带模式下对整机进行剖分得到3.9M 网格。

原始的手机模型和原剖分后的模型如图3所示。

图3 原始手机模型及剖分后的模型为了简化模型，手机内小于1mm3的器件不会进行剖分。

通过搜集各部件的资料同时将仿真同实测数据进行比较和优化，设定各个部件的电磁参数如表1。

表1 材料参数的设置将手机的所有部件分为三大类：●介质器件，液晶屏、话筒、按键橡胶等；●金属器件，马达、屏蔽盖、电池等；●手机外壳及按键。

为考察整机环境对天线的影响，本文对五种情况进行了仿真：1．整机；2．去除机壳及按键的整机；3．去除介质器件的整机；4．去除金属器件的整机；5．只有天线及其支架和PCB板。

仿真得到的S11曲线如图4所示，五种情况下在谐振频率处的辐射效率和匹配效率由表2给出。

图4 五种情况下天线的S11曲线表2 五种情况下的辐射、匹配和总效率图4表明外壳按键这种体积大且具有一定介电常数的结构对手机天线频率的影响最为剧烈；金属器件对谐振频率的影响也很大，这是由于金属元件容易改变天线结构，从而造成天线电流路径或是电流分布发生变化。

而介质元器件由于其体积小分布零散对谐振频率的影响有限。

观察表2，可以发现天线的支架、外壳和按键模块对辐射效率的影响最大，一方面由于这些结构本身就是有耗的，另一方面由于具有一定的介电常数，这些结构可以使电场更加紧密地束缚在手机天线附近，从而使得更多的能量损耗在手机内部的各有耗器件上。

金属器件本身损耗并不大但是由于其能改变电流分布，使得电流更靠近有耗的外壳和介质器件，从而降低天线的辐射效率。

介质器件的有耗性决定了其降低辐射效率作用，但由于体积小且分布散所以介质器件降低的幅度并不大。

根据上述仿真结果，可以看出：为提高天线的辐射效率，应选用低损耗和低介电常数的机壳、按键及介质器件，同时注意金属器件尽可能避开高损耗的介质器件。

4 与实测数据的差异分析该款手机天线是普通的单频PIFA，其在整机环境下的实测谐振频率为872MHz，总效率为35%。

可以看出仿真得到的谐振频率与实测值吻合很好，但是效率差异较大。

原因分析如下：首先，在测量手机天线过程中没有对馈电的同轴电缆进行无耗的扼流处理，加入铁氧体环虽然能够起到减小同轴电缆影响的效果，但它是以吸收一部分电缆外皮上的电流为代价，其结果是导致测试的辐射效率偏低。

如果能通过无耗的巴伦来遏制同轴外皮上的电流，可以预期测量的辐射效率将会得到提高[7]。

其次，在仿真方面，建立的模型对细节结构特别是有耗元器件及馈电结构的简化是否会对仿真结果造成影响还有待进一步的研究。

5 结论本文建立了整机环境下天线的等效电路，该等效电路可以为天线设计者提供清晰的物理图像。

文章分析了天线效率损耗的来源并提出了相关的规避措施。

通过仿真实际的手机模型，验证了由等效电路做出的结论，分析了不同类型的部件对天线辐射性能的影响。

最后对实测和仿真在效率上的差异进行了分析，后续的工作将验证这些分析以期望得到更小的差异。