学个Antenna：手机天线入门

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2022-06-15 10:04:57 0

摘要：

如今，智能手机非常流行。自2010年推出iPhone 4以来，金属边框天线方案已被广泛用于智能手机设计中。除此之外，塑料中框+FPC天线方案也被广泛应用于中、低端机型。这些技术有效地扩展了天线的尺寸，使得它不再局限于智能手机内部的狭小空间。不过随着越来越多的摄像头、PCB电路板、NFC、马达、大电池等元器件的堆叠，使得天线所能获得的净空区域愈加窄小。这直接导致天线性能的降级，尤其是带宽明显变窄，天线总效率变低。为了在复杂环境下快速高效地进行手机天线方案的预仿真、调试，基于特征模理论的电小天线模式分析-组合法成为了主流。

本文使用的软件为CST 2018版本

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手机天线的类型

手机天线的发展经历了外置-内置-开放式金属中框天线这几个阶段。具体可以通过下面三个图直观感受一下：

手机天线的发展

从左到右依次是：外置天线，内置天线和iPhone 4“天线门”事件主角-金属中框天线

外置天线是移动电话领域中天线系列的第一个成员，它于1983年出现在第一台商用手机Motorola DynaTAC 8000X。由于辐射天线外置能获得较大的净空区，且天线周围环境简单，因此天线性能良好。
内置天线出现在20世纪末，并获得了广泛的应用并在在短短几年内风靡全球。诺基亚3210于1999年投放市场，获得了巨大的成功。诺基亚也是第一家成功销售带有内置天线的主流手机公司。
金属中框天线初创于iPhone 4。当年乔布斯富有激情的向我们讲解了iPhone 4手机最伟大的设计之一：独具匠心地利用金属中框充当手机天线。iPhone 4手机的机身四周被两条不锈钢金属所包裹，其巧妙地集成了UMTS、GSM网络和蓝牙、Wi-Fi、GPS的天线。虽然当时苹果公司独具匠心地将iPhone 4的手机天线和边框整合在一起，使得整机一体化，更富有时尚气息，但用户一旦紧握手机，就会导致信号接收质量下降。即便如此，IPhone 4敢于第一个吃螃蟹，也在一定程度上引领了现在旗舰机型的手机天线设计。

随着时代的发展，手机从直板式，触屏手机，智能手机，到现在朝着“一机在手，天下我有”的智慧手机发展，可谓是飞速更迭，百花齐放。除了功能上的日趋完善，现在的手机在外形上也是创新不断：例如vivo搭载升降摄像头的NEX，oppo双轨潜望结构将摄像头隐藏在手机内部的Finder X，华为采用8英寸可折叠柔性屏的新一代5G折叠手机——Mate X2，全球第一台搭载1亿像素相机的手机——小米Mix Alpha，把一块柔性屏做成双折的环绕屏手机。国产HOVM四大家可谓是“煞费苦心”，“争奇斗艳”。不过非常规结构的智能机也给手机天线设计带来了较大挑战！

不过，再花里胡哨的手机，其天线设计方法和类型还是万变不离其宗。

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特征模理论

特征模理论最开始由Garbacz在A generalized expansion for radiated and scattered fields一文中提出，然后Harrington和Mautz在Theory of characteristic modes for conducting bodies中进一步加以完善。

特征模理论最大的亮点在于：不考虑馈电结构的情况下，可以给出任意形状金属结构的所有辐射模式，类似于波导里的TE10，TE11等正交模式，这些辐射模式我们就称之为“特征模”。关于特征模的相关理论和公式可以参考文末的资源分享，这里我们将一个辐射模式的激励程度定义为模式激励系数，这个系数的取值范围为0~1，越接近于1则代表其越容易被激励。

为了更直观地理解这个专有名词，我们对简单的dipole天线进行特征模分析。（点击下面小图即可看清晰版本）

Dipole-Time Domain Solver

CST时域求解器：天线在6.185GHz和19.16GHz附近处于谐振状态

Dipole-IntegralEq（Source type：CMA）

CST积分方程求解器，CMA激励类型：天线在6.392GHz，13.16GHz，20.04GHz三个频点，其模式激励系数达到峰值

在电路分析中，谐振的定义是输入阻抗虚部为0，即谐振频点落于Smith圆图的纯电阻线上。从CST时域求解器仿真结果可以看出，6.185GHz和19.16GHz两个频点在纯电阻线附近，两者之间还有一个频点靠近开路点。从S11上来看，难以分辨出其属于谐振状态。而在CST积分方程求解器的仿真结果则可以很清晰地看出在定义的仿真频段内，6.392GHz，13.16GHz，20.04GHz三个频点的模式激励系数达到峰值。特征模方法对天线设计具有指导意义：即给定任意结构辐射金属，可以从理论上求解出所有能激励的辐射模式，且各模式之间满足正交性。

Dipole模式分析：点击下面小图即可看清晰版本

可以看出，几个不同频点状态下，其电流分布不同，这其实就是对应于理论上不同电长度下，Dipole上的电流分布。这里简单定义上图从左到右依次为Dipole的1/2波长模式，全波长模式和3/2波长模式。

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Monopole和Loop

由于Monopole相比Dipole能减少一半尺寸，因此在早期的手机内置天线中也经常用到。如下图所示，为了进一步降低Monopole的剖面尺寸，其辐射臂被折叠起来，且从馈电处开始有两路分支，以用来实现双频谐振。

Monopole仿真示例

传统的Loop天线为工作频率的一个波长，为了缩减天线尺寸，根据镜像原理可构造出如下图所示的半波Loop天线：

Loop天线图示

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Monopole到IFA

在现如今智能手机的内部空间可谓是“寸土寸金”，小净空下的单极子天线，其Smith圈往往比较靠外，不好匹配。如果按下图所示，在馈电处并联一个小电感，Smith圈就会缩小；除此之外，匹配良好的频点则会偏移到低频（如下图黑色圆所示，并联电感后该点能逆时针挪动到匹配中心），即并联电感能进一步缩小天线尺寸（天线辐射效率可能有一定程度的下降！）。