《工业控制计算机》2017年第30卷第10期155基于本征模理论的全金属移动终端多波段天线设计 A n E f f ic ie n t E i g e n-M o d e
B a s e d L T E A n t e n n a fo r M o b ile T e r m in a l w it h F u ll M e ta l H o u s in g
于玉梅杨广立（上海大学特种光纤与光接入网省部级共建重点实验室，上海200072)
摘要：针对全金属无缝移动终端天线小型化和多频段的需求，设计出了一款创新型金属腔体天线，该天线方案利用腔体本征模概念，结合射频可调实现了低频700~960MHz，同时结合射频匹配、增加接地点、在液晶显示屏金属层开缝等方法，高频部分实现1710~2170M H z频段覆盖。该天线方案与传统天线Monopole、IFA、PIFA等设计思路完全不同，解决了 传统天线在金属环境下效率低、带宽窄及体积大的问题。实验结果表明，低频和高频效率分别为40%和60%以上，符合终 端天线的基本设计要求。
关键词：天线，移动终端，腔，本征模，全金属
Abstract:in this paper,a new type of metal cavity antenna is designed to meet the requirement of miniaturization and multiband of mobile terminal antenna with full metal housing.The technique of using resonances of cavity modes for mobile phone with full metal housing to operate at LTE bands (700-960MHz,1710-2170MHz) is presented.The low band bandwidth is improved by a tunable capacitor and
high band bandwidth is optimized with a slot on the LCD metal plate,RF matching and adding connection point.The design scheme of the antenna is quite different from the traditional antenna like Monopole, iFA,PiFA and so on,which solves the problems of low efficiency,narrow bandwidth and large volume of the traditional antenna in the metal environment.
Keywords：antenna,mobile terminal,cavity,Eigen-mode,full metal housing
市场上的移动终端设备中覆盖GSM、LTE等频段的天线尺 寸都比较大咱2暂遥同时由于轻薄化，以及全金属外观的趋势，导致 天线的设计空间更小，并且还要符合天线的性能指标，全金属手 机天线向着小型化、宽带化和多频段咱3-5]发展是必然趋势，这无 疑给手机天线工程师带来巨大的挑战[1]。传统天线例如PIFA天 线是过去常用的天线设计，但是在金属环境下效果下带宽和效 率都不是很好，这主要原因是“电磁屏蔽”作用的存在，金属外壳 对传统天线的强耦合作用，使电磁波很难穿透金属壳向外辐射。
目前，市场存在的金属外观手机，因为技术原因不是采用金属 边框结构，就是在金属外壳的后盖或边框上切割一个或多个槽，使 得天线可以设计为满足运营商的频带和效率等方面的要求。然而，从工艺设计、产品美观和器件的机械强度的角度来看，最好在全金 属外壳上没有任何切口或槽。因此，在这种形式下，我们需要打破 传统观念，利用新的思路和方法解决各种困难和问题。
2011年，清华大学张志军教授等人提出将终端设备的金属 外壳作为腔体，形成腔体天线向外辐射能量咱6]，其思路是将谐振 腔一端口开路来向外辐射能量，从而实现在腔体内部无介质材 料、在腔体外表面不切缝的情况下的无线通信功能；文献[7]成 功将腔体天线和可重构技术相结合，设计新颖；文献[8-9]在全 金属平板电脑的基础上，利用本征模理论，设计了两款GPS/ W LA N天线。本文研究前人成果，根据本征模理论，在全金属环 境下，金属外壳无任何切口和开槽，设计了一款覆盖700耀960M Hz，1710~2170M H z频段的髙效率移动终端天线。
1天线结构
考虑到市场上的大屏全金属智能机的流行趋势，设计金属 智能机模型的尺寸为150m m x70m m x7m m，符合超薄化，窄边 框的设计理念。
图1、图2为全金属无缝智能手机整体结构仿真示意图。该 模型包括全金属无缝外壳(黄，包括手机边框和后盖）、液晶显 示板LC D金属板(紫）、系统电路板(绿）以及射频可调电路部分。在本设计方案中，全金属模型的尺寸为150m m x70mmx 7m m，金属边框、金属后盖以及LC D金属板的厚度均为0.5m m，LC D金属板尺寸为126m m x64mm x0.5m m，采用FR4介质板作 为天线的系统电路板，其厚度为0.8m m，其介电常数着越4.4，损耗 正切为0.01，并在其上表面铺有一层铜作为地，该电路板的尺寸 为40m m x10mm。在LC D金属板与金属外壳的两侧开了 2.5mm 的缝隙，下方开了 5m
m的缝隙，上方设置净空区，留做设计其他 天线，宽度为18mm。该设计方案采用直接馈电方式，由系统电路 板直接馈电LC D金属板来激励本征模态，如图2所示。
图2
仿真模型纵切面
156
基于本征模理论的全金属移动终端多波段天线设计
图源低频可调S11四氯化锆
电源线扣图3为仿真数据与实物模型的 测试S 11对比图，两组数据基本 一致，本设计中测试的数据由矢 量网络分析仪和微波暗室对天
线的实物测量所得。由图6实物 模型的测试可调S 11结果可以 看出来，低频可以覆盖700- 960M H z 频段，在高频处也满足 1710-2170M H Z 的带宽覆盖。
图缘3D 实物模型
2.0
F re e p jiB n
G y {G Hz )图6
实物低频可调S11
图7为实物低频950M H z 和高频1750M H z 的二维方向图，同时利用微波暗室对天线效率测试，低频效率仍能达到
40%，高频效率能达到60%以上。
经过ETS 暗室的测试，其性能可以超越市场上全金属无缝 智能机天线的性能，解决了传统天线在全金属无缝智能机中带 宽窄、效率低、体积大等难题，总的来说该天线在工业界和学术 界具有一定的创新性和实用性等优点。
(下转第158页)
3.0
Frequency (GHz }
图3
最终仿真模型仿真和实物S11
电场分布的进一步表明，低频1.04G H z 为第二模态，高频
1.75 G H z 为第四模态，
2.05G H z 为第五模态，均为激励的腔体
本征模态。仿真结果，低频效率达到50%，高频效率达到65%。 如何增加低频带宽成为本设计方案的第二个重点，我们在电场 最大的地方(如图1)加人可调电容，随着电容值1~6p F 变化， 得到回波损耗图如图4，低频谐振逐渐降低，低频可以实现
700~960M H z 频段覆盖。4
实物模型验证
最后我们将该天线方案在实物模型验证，图5为实物模型，
2
本征模原理
金属腔体本身为封闭结构，能量在其内振荡，但是如果将其 终端口开路，就会有能量辐射出去，这主要是因为物理终端开路 的金属腔体并非等效为理想的电性能开路磁壁。终端开路腔体 由于上下金属壁之间的电容效应，腔体内传播到开路终端的能 量并没有完全反射回去，而是部分向外空间辐射能量，这成为设 计无切缝腔体天线的基础。150m m x 70m m x 7m m 尺寸的封闭 金属腔体，根据本征模计算公式：
枣。=糟姨(I )垣蓸灶)+(t )
可以计算出该腔体内的多个本征频率，如表1所示，a 、b 、c 分别为矩形谐振腔长宽高，m 、n 、p 为模式数量，m 、n 、p =0、1、2、 3…，c 为真空中光速。当m 、n 、p 取不同时，对应多种模态，皂、n 、p 但不能同时为零。
表1基于150x70x7mm3尺寸下的全金属本征模态
"模
态
1 2 3
频率（GHz) 2.34 3.08 4.02_____模态__________4_________5_________6频率（GHz) 4.35______^69_______5.05
生态砖由表1可知，在该完全封闭金属腔体中，激发出的本征模态 并没有低频。因此如何激励低频本征模态，成为这个设计方案的
第一个重点。为了解决这个问题，我们在LC D 金属板和金属外 壳连接处四边开缝隙，通过这种方式，可以改变金属腔体的有效 体积，从而可以改变本征模态谐振频率，最终通过改变整个缝隙 的长度，设计出我们需要的低频波段。
3
实验结果及分析
通过增加接地点、射频匹配电路在L C D 金属板开30mm 缝隙等方式，对天线S 11进行微调，改善高频匹配，利用仿真软 件xFDTD ，得到仿真结果如图3所示，低频谐振在1.04G H z ，高 频带宽1710~2170MHz 。实物模型低频谐振950MHz ，高频带 宽1690耀2170M Hz ，由于手工制作原因，实验数据和仿真S 11 有一些细微区别，但基本的谐振模态是相似的，验证了设计原理 的合理性。
5
&
-1T 1-3§
S
f f l p u l
s
158低频电源控制策略仿真研究
在本文提出的有载调压开关和晶闸管控制角相配合来调节 系统电压的方式中，有载调压开关的使用，能够在一定范围内使 变压器的输出电压提高或降低，通过调节输入侧电压把晶闸管 控制角的范围控制在一个较小的范围内。
吟Ud=2.34U2(COSam in-COSa max冤(1)
式中：吟u d为级差电压值曰u2为阀侧电压最小值。
有载调压开关接在变压器的一次侧，能够实现固定数量抽 头的位置调节，通过改变抽头(调节绕组）的位置来改变串联入 绕组的个数，从而改变输出电压。本文采用17级有载调压开关 模型，抽头位置0对应标称电压，抽头的位置在-8档到+8档之 间调节，通过正反调实现共17级档位调节。控制信号「e g应用 于输入检测端「e g(p u)，如果检测到在延时时间t内，输入值与 参考值的差值持续大于额定差值的1/2，即公式(2)，则相应的调 高或降低一个抽头位置，如果还未使上公式满足则继续调节。
\ reg-ref_reg \ >rng_deadband/2(2)
其中:「e g为实际运行时晶闸管控制角，「ef_「e g为给定的控 制角参考值，「e g_d e a d b a n d为给定的额定差值。在本例中，为 了兼顾仿真效果和时间，把延时时间设为0.03s，参考值「ef赃「eg 设为25毅，额定差值设为20毅。
4仿真系统
如图3所示，仿真系统的主电路主要包括三相电源、电压测 量模块、有载调压模块、低频主电路及其对应的触发脉冲形成、频率产生、控制角整定及P ID调节等。把各个部分组合起来就构 成了总体仿真系统。
图3仿真系统主电路图
5仿真运行效果分析
一般情况下，可以把晶闸管触发和低频装置当作系统中的 一个环节来看待，在动态过程中，晶闸管的触发与低频装置可以 看成是滞后型环节，负载电压滞后于控制电压，对晶闸管控制角 可以采用闭环P ID调节。模型搭建完成后对系统的实际仿真运行效果进行了检验。如图4所示，系统闭环运行状态下，在电压 波动时有载调压开关和晶闸管控制角配合下，控制角调节过程 的运行效果。
图4控制角调节过程的运行效果图偏瘫扶正丸
如图4所示，在前2s以内控制角稳定运行在25毅附近，当
系统电压在2s时刻发生变化时，为使输出电压恒定，控制角经 P ID调节响应电压变化，进而控制角增
加至50毅附近。此种状态 下控制角的实际差值显然大于设定的额定差值的1/2，由公式 (2)可知，当这种状态的持续时间大于延时时间0.03s时，有载 调压开关抽头动作，降低一个档位。档位降低后控制角大小如果 仍未满足，则重复上述动作，直至控制角回到设定的范围内。
图5调节过程和稳定后输出电压波形
另外在图5中显示了调节过程中输出电压波形，从图中可以 看出，本系统具有比较良好的响应速度和相对精确的调节能力。
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[收稿日期：2017.6.21]
渊上接第156页）
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[收稿日期：
2017.5.12]
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