一種全面屏智能手機天線設計

何業軍 梁坤

(深圳大學信息工程學院,深圳 518000)

引 言

2016年10月25日,國內手機廠商小米發布了一款MIX手機,在全球業界提出了“全面屏”概念. 小米MIX手機的正面采用了一塊6.4英寸的超大屏幕,而機身面積僅和5.5英寸的iPhone 7 Plus相當,屏占比高達91.3%,讓手機正面看上去幾乎全是屏幕. 2017年以后,隨著全面屏技術的成熟,全面屏進入量產, 各家手機廠商的全面屏產品蓄勢待發. iPhone推出全面屏手機iPhone X, 三星的 Galaxy S8也處于熱銷狀態(中國市場除外).

由于屏幕顯示區域變大,屏幕正面上下兩端的非顯示區域變短,天線的凈空區變小,給全面屏帶來挑戰. 以前長寬比為16∶9的屏幕,給天線留下來的凈空為7～9 mm,而現在長寬比為18∶9的屏幕,留給天線的空間只有3～5 mm,甚至更窄. 雖然手機的外觀設計感得到大幅提升,但其對天線設計帶來了更嚴峻的難題[1]. 目前智能手機天線常用的基本設計方法有加載集總參數[2-4]、折線法[5]、可重構和調諧技術[6-9]、 加載寄生單元[10]、 饋電耦合等[11],以便天線可以覆蓋許多重要頻段[12]. 基于以上方法,本文提出一種適合于高屏占比手機的小型化多頻段長期演進 (long term evolution, LTE)手機天線,實現帶寬為700～960 MHz、1 710～2 170 MHz、2 500～2 700 MHz的天線設計.

1 天線的結構與設計

本文提出的天線是一種環形的天線結構[13],如圖1所示,該天線通過一個天線饋電點F和一個短路枝節接點SP4T天線切換開關(switch, SW)連接到手機印制電路板(printed circuit board, PCB). 建立的手機仿真模型的長寬高尺寸為158 mm×77 mm×7.5 mm,天線的長寬高尺寸為70 mm×5 mm×4 mm. 該天線由天線饋電點、匹配電路、天線走線、SP4T天線開關、短路點以及塑料和PCB組成. 其中藍色部分的電池后蓋為金屬,綠色部分是材質為FR4的PCB板,液晶顯示器(liquid crystal display, LCD)的材質為玻璃. 天線的具體尺寸如表1所示.

圖1 天線結構Fig.1 Antenna structure

mm

該天線通過50 Ω阻抗進行端口饋電,如圖2所示,LCD屏的外邊緣到天線走線豎直面的距離只有3.5 mm,這個距離就是我們天線常說的凈空區域.為了滿足目前全面屏的工業設計 (industrial design, ID)外觀需求,把天線的凈空區域不斷減小.

圖2 天線凈空區域Fig.2 Antenna clearance area

天線整體的架構是一個環形的天線形式,通過SP4T開關到地點結束. 通過單刀四擲SP4T開關,相當于有四路不同的匹配,RF1端口的匹配是并2.2 nH,RF2端口的匹配是并4.3 nH,RF3端口的匹配是并20 nH. 天線的諧振頻率會隨著加入SP4T四路開關末端匹配值的不同,來改變天線的電長度,從而改變天線的諧振頻率,達到擴展天線帶寬的目的.

如圖3所示,天線在工作過程中總共有三種不同的狀態. 狀態1:天線饋電點端的匹配是2.2 nH,此時天線的SP4T開關聯通RF1路,天線整個環形路線加上天線端的匹配電路構成了天線的輻射單元;狀態2:天線饋電點端的匹配是4.3 nH,此時天線的SP4T開關聯通RF2路;狀態3:天線饋電點端的匹配是20 nH,此時天線的SP4T開關聯通RF3路. 從S11圖上來看,狀態1激勵的天線模態有900 MHz,1 710～2 170 MHz,狀態2激勵的天線模態主要是850 MHz,狀態3模態激勵的天線模態在700 MHz和2.5～2.7 GHz處天線諧振.

(a) 全頻段(a) Full-band

(b) 低頻段(b) Low-band圖3 天線仿真S11圖Fig.3 Antenna simulated S11 diagram

為了更好地了解天線的工作模式,我們也可以從天線工作的表面電流分布來進一步分析.如圖4所示,天線在饋點處的表面電流最強,并且在整個走線上都有電流流動,說明天線中低頻在整個天線走線上都有影響.天線高頻段電流在中間輻射最強,說明天線高頻段主要由天線中間的枝節構成.

(a) 0.92 GHz

(b) 1.90 GHz

(c) 2.50 GHz圖4 天線表面電流分布Fig.4 Antenna surface current distribution

2 結果與分析

通過CST電磁仿真軟件的仿真優化后,進行實物加工,如圖5所示. 左邊兩幅是模擬加工的實物前后外觀,右邊兩幅是天線內部的構造圖,為模擬精確,USB小板、麥克風 (microphone, MIC)、馬達和后蓋金屬中框等常規影響天線的金屬器件都有放在實物上.

圖5 實物加工圖Fig.5 Photos of the manufactured antenna

通過安捷倫網絡分析儀得到的實物模擬和仿真的S11如圖6所示,實物模擬在天線部分加入一些必要的金屬物件,LCD和TP沒有加上,但從對比數據可見,實物模擬能夠較好地反應天線諧振頻率的工作模態,除了天線需要的幾個主要的工作模態,在1.25 GHz也產生了一個工作模態,但模態較小,所以沒有利用上,從整體數據來看仿真數據和實物模擬數據趨勢基本一致.

(a) 不同端口測試S11(a) Measured reflection coefficient S11in ports of RF1, RF2 and RF3

(b) 端口一仿真和實測S11對比(b) Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11 in port RF1

(c) 端口二仿真和實測S11對比(c) Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11in port RF2

(d) 端口三仿真和實測S11對比(d) Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11in port RF2圖6 仿真與模擬實物S11對比Fig.6 Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11

實物通過微波暗室測試天線的輻射方向圖如圖7所示,分別測試了天線0.9 GHz、1.9 GHz和2.5 GHz的E面和H面方向圖,從測試結果來看,天線的輻射是全向的,具有良好的輻射特性.

xoy面

yoz面

xoz面(a) 0.9 GHz

xoy面

yoz面

xoz面(b) 1.9 GHz

xoy面

yoz面

xoz面(c) 2.5 GHz圖7 測量的二維天線輻射方向圖Fig.7 Measured 2D antenna radiation patterns

實物通過微波暗室測試的效率如圖8所示,700～960 MHz的天線效率為20%～35%,1 710～2 170 MHz的天線效率為20%～55%,2.5～2.7 GHz的天線效率為25%～35%,在目前全面屏天線凈空區域3.5 mm的情況下,天線的的輻射效率基本能夠滿足設計要求.

圖8 測量的天線輻射效率Fig.8 Measured antenna radiation efficiency

同時手機對人體的輻射也越來越受到人們的關注,為了驗證此款天線的比吸收率(specific absorption ratio, SAR),我們在整機能夠通電工作后,放在Dasy5系統中測試了它的SAR,每個頻段的最大SAR值如表2所示,SAR值均滿足小于CE限值2.0 W/Kg的要求.

表2 天線比吸收率Tab.2 SAR of antenna W/kg

如圖9所示,分別選取GSM 900、WCDMA B1、LTE B7高中低三個頻段中間信道的SAR輻射熱點圖,來進一步說明SAR值的分布. 其中顏色越亮表示SAR越高,從測試的SAR分布圖上也能看出SAR值小于限值的要求.

(a) GSM 900 頭(a) GSM 900 head

(b) GSM 900 身體SAR 5 mm距離(b) GSM 900 body 5 mm gap

(c) WCDMA B1 頭(c) WCDMA B1 head

(d) WCDMA B1身體SAR 5 mm距離(d) WCDMA B1 body 5 mm gap

(e) LTE B7 頭(e) LTE B7 head

(f) LTE B7 身體 5 mm距離(f) LTE B7 body 5 mm gap圖9 天線SAR輻射圖Fig.9 Antenna SAR radiation patterns

3 結 論

在當今全面屏手機流行的趨勢下,本文提出了一種新型的手機天線形式,配合SP4T天線開關,能夠覆蓋700～960 MHz、1 710～2 170 MHz、2.5～2.7 GHz的天線帶寬設計要求.同時通過分析天線的回波損耗、表面電流、天線效率等特性,可以看出該天線具有良好的特性,能夠滿足全面屏手機的天線設計需求.但每一款手機天線的環境不完全相同,具體的項目需要具體分析解決,本文僅對現在的全面屏手機天線的研發提供一定的設計參考.