我们是怎样解决手机天线的设计挑战的?

我们是怎样解决手机天线的设计挑战的?

在本文中,我们将研读Nokia工程师Kalle Kiesi的讲义《手机终端天线设计的挑战》,来研究一下当今针对一款手机设计出性能出色的天线是多么困难的事情.再逐一对应,看看安捷伦对此有什么好的解决办法. 在上个世纪,当手机天线工程师还是一件比较轻松的事情.一来需要设计的天线种类不多：鞭状天线、螺旋天线、PIFA天线；二来频段单一,只需要单频天线,最多双频天线. 时过境迁,时间进入了二十一世纪.手机已经走入平常百姓家,功能也越来越多,作为一名手机天线设计工程师日子是否还像以前一样悠闲呢? 手机厂商对天线工程师提出很多要求： 砖头一样笨重的手机再也不是显摆的工具,薄如名片的手机越来越受宠,减小天线体积成了最紧迫的任务.但是这个任务却很难完成： 今天手机主天线被设计成四频、五频； 高速数据通信对天线的性能要求更高,这只有较大尺寸的天线才可能达到； 同时,不同的规范对手机天线的要求也越来越严： 辐射特性；EMF安全规定：比吸收率（SAR）必须满足一定的标准； 对助听器的兼容性（HAC）：手机信号不能对助听器产生干扰.EMC要求：杂波发射和自干扰要符合要求. 现在的手机布局非常紧凑：不仅集成了话筒、扬声器、显示屏、天线等必备器件,还有摄像头、蓝牙、WLAN等不同应用.如何在有限的空间中设置10个以上的射频天线,支持FM、AM等低频系统,还不能出现EMC问题,真的很让人头痛. 而且针对新的通讯技术,还可能使用MIMO或分集等新技术来提升数据率和OTA性能. 现在的手机一改过去翻盖或平板一统天下的局面,式样多种多样：滑盖、旋转、金属表面,天线尽可能的被隐藏起来.针对不同式样的手机,都要研发相对应的天线,不再像过去,一款天线可以在若干型号的手机上面使用. 而且天线的安装位置也需要很小心的来确定. 用户不同的操作习惯也不能影响天线的性能. 不管用户的手怎么对手机进行抓握,手机天线的性能都不能大幅度的下降,人头对手机天线的影响自然也要加以考虑.甚至还得考虑手机在不同环境下的工作状况：在口袋中,在桌面上,在不同的方位. 看来,在现在当一名天线工程师真的比较辛苦.光是天线安装好后再反复调整位置、细化机构就得占用大量的精力,同时还得和手机整机研发步伐一致,很快的更正设计. 不过好的消息是现在安捷伦针对手机天线设计有了很好的解决方案： 安捷伦在2006年年底推出了专门应用于天线建模设计的软件AMDS.这个软件可以帮助手机天线工程师更好的进行天线设计、更早的和手机进行集成以改进性能、更多的考虑手机的使用状况. 针对目前手机天线设计的挑战,我们来逐一分析AMDS怎么来帮助手机天线工程师.AMDS可以和业界的主流CAD设计软件进行有效连接,方便的导入、输出不同文件,让手机结构设计和天线设计可以无缝结合.AMDS可以处理的文件格式有：SAT、DXF、STEP、IGES、Pro-E.AMDS有着简单、高效的建模工具,通过模型编辑器,可以实现基于尺寸的三维实体模型建立、二维模型建立,进行复制、移动、缩放、旋转等基本操作,应用逻辑（Boolean）操作进行复杂形状的组合.使用AMDS自带的模型编辑器,足以进行一般的模型建立,如右图所示为在AMDS中建立的SMA接头模型： 同时,AMDS的分层功能,可以记录导入模型各模块相对应的材料特性,修改CAD模型后再进行导入时可以快速恢复模型特性,而不需重复编辑材料特性,大大提高了处理复杂手机模型的效率. AMDS的自适应网格划分（Adaptive meshing）可以根据整个手机不同的模块制定不同的网格划分方案：如天线周围电磁场变化剧烈,采用较小的网格,而不重要的结构或电磁场变化缓慢的自由空间等,可以采用大网格.这样既保证了仿真精度,又提高了仿真效率. 正确的网格剖分是得到正确仿真结果的前提.AMDS能够显示网格剖分情况,并且允许用户查看、修改网格. 针对MIMO应用及天线分集应用,AMDS也可以进行高效的设计.如导入两个天线的远场辐射图,系统会自动计算总辐射图. 天线手机设计工程师非常在意研发进度,如果得到手机天线的效应需要仿真一个礼拜,即使精度再高,也是不能接受的. 由于采用FDTD算法,AMDS非常适合并行计算,可以使用硬件加速卡来大幅度提高仿真速度.如使用安装了硬件加速卡的工作站来仿真手机模型,只需要十五分钟就可以得到仿真结果.使用硬件加速技术可以提高AMDS的仿真速度20倍以上. 工程师对设计进行修改后,可以快速得到反馈结果,大大的提高了设计效率. 针对手机不同的使用要求,AMDS可以很好的进行分析.AMDS可以计算天线的辐射功率、SAR、温升等.AMDS帮助天线工程师减少样品试制轮回,在制作出第一次样机时就能通过多种严格的测试规范. 对于手机用户的不同使用习惯及手机的实际工作状态,AMDS可以对其进行仿真来最大程度的模拟实际情况. 如在上图中,手机放在手中的状态和手握住手机放在人头旁边的辐射特性是完全不同的,端口的反射特性也差别很大.这样不需要在暗室中对手机、人手、SAM人头模型进行实测,就可以提前预测手机的工作状态. 使用AMDS,可以很好的设计验证手机天线：AMDS允许不同工程师进行协作设计天线原型,而且可以快速的对整个设计进行仿真：AMDS从业界主流CAD工具中读取天线及手机模型,高效的进行网格划分,再对集成了手机的天线进行仿真分析. 加快天线的设计流程：由于采用FDTD技术及硬件加速技术,可以进行快速宽带仿真.得到远场分析、增益、S参数等结果. 最大程度逼近真实世界：AMDS可以帮助工程师计算SAR、温度分析、功率/效率、HAC. 为每一个设计选择最适当的仿真工具：安捷伦提供整套三维仿真科技：集成在ADS中的Momentum采用MoM算法,适合多层平面电路仿真；EMDS也集成在ADS中,采用FEM算法,适合对闭场三维任意结构进行仿真；AMDS采用FDTD算法,特别适合仿真宽带、开场的情况.而且在三个不同仿真软件之间可以方便的进行输出导入.