【資料分享】HFSS為智能手機(jī)開(kāi)發(fā)可靠天線(xiàn)

2016-10-10 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)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(shí)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(jià)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(zhǎng)的機(jī)身頂端還可延伸出一條超過(guò)5英寸長(zhǎng)的橡膠鞭天線(xiàn)。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(huà)。

在過(guò)去三十年里,移動(dòng)電話(huà)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)代發(fā)展,與此同時(shí),迅速擴(kuò)展的特性被集成到更加小巧、輕便、廉價(jià)的封裝里。現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備更像是高度便攜的個(gè)人計(jì)算機(jī)而非電話(huà)。然而,決定設(shè)備無(wú)論在何處都能夠進(jìn)行自由通信的一個(gè)很大因素,仍然是它的天線(xiàn)。對(duì)移動(dòng)電話(huà)行業(yè)來(lái)說(shuō),要想設(shè)計(jì)出外形小巧的手機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多頻帶和寬頻帶內(nèi)置天線(xiàn)已經(jīng)成為一項(xiàng)必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。電話(huà)制造商在不斷生產(chǎn)具有更多選項(xiàng)的器件的同時(shí),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(xiàn)設(shè)計(jì)的原有挑戰(zhàn)之上再添難度。

要想設(shè)計(jì)出外形小巧的手機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多頻帶和寬頻帶內(nèi)置天線(xiàn)已經(jīng)成為移動(dòng)電話(huà)行業(yè)必須面對(duì)的一項(xiàng)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(xiàn)設(shè)計(jì)的位置。下圖:天線(xiàn)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(duì)使用ANSYS HFSS設(shè)計(jì)的小型多頻帶內(nèi)置天線(xiàn)能夠跨越八個(gè)不同頻帶工作。

在中國(guó)江南電子通信研究所,一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)使用ANSYS HFSS設(shè)計(jì)出的小型內(nèi)置多頻帶天線(xiàn)能跨越八個(gè)不同頻帶工作。如果無(wú)線(xiàn)設(shè)備想要用作電話(huà)和計(jì)算機(jī)時(shí)都能正常工作,就需要能發(fā)送和接收寬頻帶信號(hào)(824MHz到2,690MHz)、多頻帶信號(hào)(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(lèi)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(hào)和寬頻帶信號(hào)的頻率范圍內(nèi),測(cè)得的反射損耗值(單位:dB)與采用ANSYS HFSS預(yù)測(cè)的反射損耗值的對(duì)比。虛線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)的金屬部分表面電流密度等值線(xiàn)圖。顏色代表電流密度,紅色為最強(qiáng)。

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

該團(tuán)隊(duì)使用仿真技術(shù)研究了各種天線(xiàn)設(shè)計(jì)。他們改變輻射、耦合和電感短路帶的長(zhǎng)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(huì)帶來(lái)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(xiàn)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(duì)優(yōu)化了尺寸。

判斷天線(xiàn)性能的其它方法還有電流分布法、遠(yuǎn)場(chǎng)方向法、增益和天線(xiàn)效率法。該團(tuán)隊(duì)仿真了天線(xiàn)在900MHz、1,900MHz和2,600MHz頻率下的電流分布和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。輻射帶和短路帶上強(qiáng)大的表面電流分配說(shuō)明這些走線(xiàn)是支持天線(xiàn)在較低頻率頻帶下工作的主要原因。長(zhǎng)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(shuō)明天線(xiàn)覆蓋良好。

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

最后經(jīng)過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)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(xiàn)設(shè)計(jì)由輻射帶、電感短路帶和耦合帶組成。輻射帶最長(zhǎng),位于PCB接地面外的頂部邊緣。電感短路帶僅為0.5mm寬,通過(guò)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(lì)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(gè)分支,可生成1,710到2,690MHz的較寬的高頻帶。

◤根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該設(shè)計(jì)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(duì)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和消聲室測(cè)試了該天線(xiàn)。由于天線(xiàn)印刷在PCB上,團(tuán)隊(duì)使用50歐姆的同軸饋入信號(hào)在天線(xiàn)饋入點(diǎn)上激勵(lì)天線(xiàn)。為仿真真實(shí)情況,測(cè)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(guò)物理實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)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(dú)地測(cè)試每一個(gè)設(shè)計(jì)方案。這是一種非常低效的方法,每一項(xiàng)待評(píng)估的設(shè)計(jì)都要花費(fèi)數(shù)星期,幾乎沒(méi)有時(shí)間去優(yōu)化和測(cè)試那些創(chuàng)新性改進(jìn)。

▲測(cè)得的建議天線(xiàn)的輻射效率和天線(xiàn)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(jì)過(guò)程中引入ANSYS HFSS之后,該團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建原型之前就研究了多種天線(xiàn)的配置,并優(yōu)化了設(shè)計(jì),從而節(jié)省了20%的物料成本。工程師能夠運(yùn)行20種不同仿真來(lái)分析各種天線(xiàn)的配置,并僅用三天時(shí)間就完成最終設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

通過(guò)ANSYS HFSS預(yù)測(cè)得到的天線(xiàn)阻抗匹配性能結(jié)果與工程團(tuán)隊(duì)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該設(shè)計(jì)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(xiàn)成為移動(dòng)電話(huà)應(yīng)用的一個(gè)極具吸引力的選擇。

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