一种全面屏智能手机天线设计

何业军 梁坤

(深圳大学信息工程学院,深圳 518000)

引 言

2016年10月25日,国内手机厂商小米发布了一款MIX手机,在全球业界提出了“全面屏”概念. 小米MIX手机的正面采用了一块6.4英寸的超大屏幕,而机身面积仅和5.5英寸的iPhone 7 Plus相当,屏占比高达91.3%,让手机正面看上去几乎全是屏幕. 2017年以后,随着全面屏技术的成熟,全面屏进入量产, 各家手机厂商的全面屏产品蓄势待发. iPhone推出全面屏手机iPhone X, 三星的 Galaxy S8也处于热销状态(中国市场除外).

由于屏幕显示区域变大,屏幕正面上下两端的非显示区域变短,天线的净空区变小,给全面屏带来挑战. 以前长宽比为16∶9的屏幕,给天线留下来的净空为7～9 mm,而现在长宽比为18∶9的屏幕,留给天线的空间只有3～5 mm,甚至更窄. 虽然手机的外观设计感得到大幅提升,但其对天线设计带来了更严峻的难题[1]. 目前智能手机天线常用的基本设计方法有加载集总参数[2-4]、折线法[5]、可重构和调谐技术[6-9]、 加载寄生单元[10]、 馈电耦合等[11],以便天线可以覆盖许多重要频段[12]. 基于以上方法,本文提出一种适合于高屏占比手机的小型化多频段长期演进 (long term evolution, LTE)手机天线,实现带宽为700～960 MHz、1 710～2 170 MHz、2 500～2 700 MHz的天线设计.

1 天线的结构与设计

本文提出的天线是一种环形的天线结构[13],如图1所示,该天线通过一个天线馈电点F和一个短路枝节接点SP4T天线切换开关(switch, SW)连接到手机印制电路板(printed circuit board, PCB). 建立的手机仿真模型的长宽高尺寸为158 mm×77 mm×7.5 mm,天线的长宽高尺寸为70 mm×5 mm×4 mm. 该天线由天线馈电点、匹配电路、天线走线、SP4T天线开关、短路点以及塑料和PCB组成. 其中蓝色部分的电池后盖为金属,绿色部分是材质为FR4的PCB板,液晶显示器(liquid crystal display, LCD)的材质为玻璃. 天线的具体尺寸如表1所示.

图1 天线结构Fig.1 Antenna structure

mm

该天线通过50 Ω阻抗进行端口馈电,如图2所示,LCD屏的外边缘到天线走线竖直面的距离只有3.5 mm,这个距离就是我们天线常说的净空区域.为了满足目前全面屏的工业设计 (industrial design, ID)外观需求,把天线的净空区域不断减小.

图2 天线净空区域Fig.2 Antenna clearance area

天线整体的架构是一个环形的天线形式,通过SP4T开关到地点结束. 通过单刀四掷SP4T开关,相当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. 天线的谐振频率会随着加入SP4T四路开关末端匹配值的不同,来改变天线的电长度,从而改变天线的谐振频率,达到扩展天线带宽的目的.

如图3所示,天线在工作过程中总共有三种不同的状态. 状态1:天线馈电点端的匹配是2.2 nH,此时天线的SP4T开关联通RF1路,天线整个环形路线加上天线端的匹配电路构成了天线的辐射单元;状态2:天线馈电点端的匹配是4.3 nH,此时天线的SP4T开关联通RF2路;状态3:天线馈电点端的匹配是20 nH,此时天线的SP4T开关联通RF3路. 从S11图上来看,状态1激励的天线模态有900 MHz,1 710～2 170 MHz,状态2激励的天线模态主要是850 MHz,状态3模态激励的天线模态在700 MHz和2.5～2.7 GHz处天线谐振.

(a) 全频段(a) Full-band

(b) 低频段(b) Low-band图3 天线仿真S11图Fig.3 Antenna simulated S11 diagram

为了更好地了解天线的工作模式,我们也可以从天线工作的表面电流分布来进一步分析.如图4所示,天线在馈点处的表面电流最强,并且在整个走线上都有电流流动,说明天线中低频在整个天线走线上都有影响.天线高频段电流在中间辐射最强,说明天线高频段主要由天线中间的枝节构成.

(a) 0.92 GHz

(b) 1.90 GHz

(c) 2.50 GHz图4 天线表面电流分布Fig.4 Antenna surface current distribution

2 结果与分析

通过CST电磁仿真软件的仿真优化后,进行实物加工,如图5所示. 左边两幅是模拟加工的实物前后外观,右边两幅是天线内部的构造图,为模拟精确,USB小板、麦克风 (microphone, MIC)、马达和后盖金属中框等常规影响天线的金属器件都有放在实物上.

图5 实物加工图Fig.5 Photos of the manufactured antenna

通过安捷伦网络分析仪得到的实物模拟和仿真的S11如图6所示,实物模拟在天线部分加入一些必要的金属物件,LCD和TP没有加上,但从对比数据可见,实物模拟能够较好地反应天线谐振频率的工作模态,除了天线需要的几个主要的工作模态,在1.25 GHz也产生了一个工作模态,但模态较小,所以没有利用上,从整体数据来看仿真数据和实物模拟数据趋势基本一致.

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

(b) 端口一仿真和实测S11对比(b) Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11 in port RF1

(c) 端口二仿真和实测S11对比(c) Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11in port RF2

(d) 端口三仿真和实测S11对比(d) Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11in port RF2图6 仿真与模拟实物S11对比Fig.6 Comparision of simulated and measured reflection coefficient S11

实物通过微波暗室测试天线的辐射方向图如图7所示,分别测试了天线0.9 GHz、1.9 GHz和2.5 GHz的E面和H面方向图,从测试结果来看,天线的辐射是全向的,具有良好的辐射特性.

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图7 测量的二维天线辐射方向图Fig.7 Measured 2D antenna radiation patterns

实物通过微波暗室测试的效率如图8所示,700～960 MHz的天线效率为20%～35%,1 710～2 170 MHz的天线效率为20%～55%,2.5～2.7 GHz的天线效率为25%～35%,在目前全面屏天线净空区域3.5 mm的情况下,天线的的辐射效率基本能够满足设计要求.

图8 测量的天线辐射效率Fig.8 Measured antenna radiation efficiency

同时手机对人体的辐射也越来越受到人们的关注,为了验证此款天线的比吸收率(specific absorption ratio, SAR),我们在整机能够通电工作后,放在Dasy5系统中测试了它的SAR,每个频段的最大SAR值如表2所示,SAR值均满足小于CE限值2.0 W/Kg的要求.

表2 天线比吸收率Tab.2 SAR of antenna W/kg

如图9所示,分别选取GSM 900、WCDMA B1、LTE B7高中低三个频段中间信道的SAR辐射热点图,来进一步说明SAR值的分布. 其中颜色越亮表示SAR越高,从测试的SAR分布图上也能看出SAR值小于限值的要求.

(a) GSM 900 头(a) GSM 900 head

(b) GSM 900 身体SAR 5 mm距离(b) GSM 900 body 5 mm gap

(c) WCDMA B1 头(c) WCDMA B1 head

(d) WCDMA B1身体SAR 5 mm距离(d) WCDMA B1 body 5 mm gap

(e) LTE B7 头(e) LTE B7 head

(f) LTE B7 身体 5 mm距离(f) LTE B7 body 5 mm gap图9 天线SAR辐射图Fig.9 Antenna SAR radiation patterns

3 结 论

在当今全面屏手机流行的趋势下,本文提出了一种新型的手机天线形式,配合SP4T天线开关,能够覆盖700～960 MHz、1 710～2 170 MHz、2.5～2.7 GHz的天线带宽设计要求.同时通过分析天线的回波损耗、表面电流、天线效率等特性,可以看出该天线具有良好的特性,能够满足全面屏手机的天线设计需求.但每一款手机天线的环境不完全相同,具体的项目需要具体分析解决,本文仅对现在的全面屏手机天线的研发提供一定的设计参考.