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具有全金属外壳的手机天线设计

2016-07-13 大红鹰娱乐平台科技

大红鹰娱乐平台深圳R&D部 赵安平博士

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       从工业设计的角度来看,移动设备比如手机,最好具有全金属外壳(这里全金属外壳可以包括移动设备的后壳与边框),并且该金属外壳需要具备手机天线的功能或作为手机天线的一部分,因为天线必须具备向外辐射的功能,显然全封闭的金属外壳是不可行的,因此为了使金属外壳兼有天线的辐射功能,通常会对金属外壳进行一些开缝的处理。目前一个较成功的具有金属外壳的手机设计案例是HTC  One,特别的是,为了满足天线辐射功能的要求,在HTC  One金属后壳的顶端和底部各开了一条缝隙,再有,在HTC  One的设计中,金属外壳只作为天线的一部分,在金属外壳的内部还嵌有天线的主体部分。

       本文提出了一个完全利用金属外壳作为手机天线的设计方案,这里完全的意思是指除手机的金属外壳外,无需其他任何额外的天线辐射元件。图1所示的是本文提出的基于全金属外壳的手机天线模型,其中,手机的外围尺寸由L(长度),W(宽度),和H(高度)来描述。在金属后壳上开有一条宽度为Gap的缝隙,天线的馈电形式是对所开缝隙进行直接馈电,天线的馈电点在缝隙中的位置由参数a和d所决定。

       

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       图1:基于全金属外壳的手机天线模型 



       天线设计的初始目标之一是获得足够的带宽。要获得更宽的带宽,一种方式是增加/改变天线辐射元件的尺寸以及选用适当的天线匹配电路。对于本文提出的以金属外壳形式存在的天线,金属外壳的外围尺寸一般是预先设计好的,因此通常不能再改变,但即使是在金属外壳的外围尺寸固定时,该天线的馈电位置将对天线的带宽起到关键的作用,也就是说,该天线存在最佳的馈电位置,下面将对该最佳位置的选择进行较详细的描述。

       对于天线来说,获得理想带宽的可能性取决于它能达到的相对带宽或带宽潜力,相对带宽或带宽潜力越大,天线通过匹配电路能达到的带宽越宽。天线可以达到的相对带宽受到很多参数的影响,例如天线尺寸和馈电位置。为了减小天线设计周期,在设计匹配电路前最好能够了解天线的相对带宽或带宽潜力。

       举一个例子,以金属外壳具有下面的尺寸为例说明如何选择最佳馈电位置:金属外壳的外围长度L = 120毫米,宽度W = 60毫米,高度H = 8毫米,缝隙的宽度为Gap = 2毫米。

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                                                                             图2:天线在a = 20 毫米相对带宽随参数d的变化

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                                                                           图3:天线在a = 30 毫米其相对带宽随参数d 的变化

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                                                                              图4:天线在a = 40 毫米其相对带宽随参数d 的变化



      图2为本移动设备的天线在参数 a = 20毫米 (d为变量) 时的天线相对带宽图;图3为天线在a = 30毫米时的天线相对带宽图;图4为天线在a = 40毫米时的其相对带宽图。从图2 - 4可以看出,对于不同数值的参数a(20毫米、30毫米、40毫米)而言,当参数d = 10毫米时,天线在低频波段和高频波段可以同时获得更好的相对带宽。

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                                                                              图5:天线在d = 10 毫米其相对带宽随参数a 的变化



       图5为当d固定在 d = 10毫米时,天线的相对带宽随a的变化趋势。从图5可以看出,尽管参数a越大,天线在低频波段可以获得更好的相对带宽,但是当参数a = 30毫米时,天线在低频波段和高频波段可以同时获得较好的相对带宽。这里我们定义能同时对低频波段和高频波段获得较好的带宽的馈电位置为馈电点的最佳位置。

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                                                                                                图6:具有匹配电路的天线回波损耗图



       图6为具有匹配电路时天线的回波损耗图(参数a 和d 取其最佳参数a = 30毫米,d = 10毫米时),其中匹配电路包含4个匹配元件。由图6可以看出,天线在-6dB水平的回波损耗包含的频率为795MHz-987MHz的低频波段(覆盖GSM850/900)和频率为1705MHz-3305MHz的高频波段(覆盖GSM1800/1900、WCDMA2100和LTE2300/2500)。事实上,本设计方案中低频波段主要靠的是金属外壳较长部分的贡献,而高频波段主要由金属外壳的较短部分主导。此外,与现有的基于全金属外壳的手机天线设计方案比,本文提出的方案具有如下优点:设计难度低、制造成本低、可用性强,同时可以获得较宽天线带宽的特点。



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