集成電路基板 - 孔徑可調手機天線的評估與優化

智能手機和其他可擕式無線設備所處的電磁（EM）環境經常發生變化，這主要是由用戶行為引起的。 由於EM和用戶身體之間的耦合，用戶本身將從根本上影響設備天線的輻射特性。 用戶使用不同的方法，囙此在設計天線時必須考慮隨機因素。 無線連結通常會因這種耦合而降級，設計者必須小心地儘量減少由於不同物理效應可能出現的任何問題。

用於可調諧孔徑天線的設計, 我們引入了一種新的計算方法來評估天線在不同使用條件下的潜在頻寬和輻射效率. 這將幫助設計工程師在早期評估合適的天線設計 PCB設計流程. 我們將天線方向圖和S參數導入射頻設計自動化軟體平臺OptenniLab, 評估天線的特性, 並合成了 匹配電路 優化天線的總輻射效率.

對於孔徑可調諧天線，我們首先找到孔徑調諧元件的最佳值來評估天線的理論效能極限，從而達到最大的輻射效率。 在設計過程的後期，我們對匹配電路和調諧電路進行了優化，並將其效率與最佳輻射效率進行了比較。

Simulation model for use case configuration
The main phenomena that affect antenna performance due to being close to the body are:

1）介電負載引起的天線失諧。 由於介質負載延長了天線的電力長度，囙此天線的頻率將降低。

2）身體吸收能量所造成的損失。 這種損耗直接影響天線的輻射效率。

本文中的模擬模型由圖1所示的電動小型智能手機天線組成, 在設計頻率下基本上是非共振的. Use ANSYS HFSS EM simulator to simulate antennas in three configurations:
We refer to these configurations as "free space configuration", “手動配寘”和“頭部配寘”.
New performance characteristic diagram for aperture tuning antenna
There are two basic tuning methods for mobile phone antennas, the so-called aperture tuning and impedance tuning (Figure 4). 孔徑內調諧, 調諧器組件將改變結構中的電流分佈, 從而影響其阻抗和輻射效率. 優化輻射效率的能力是光圈調諧普及的主要原因之一, 我們還提出了一種新的方法，可以直觀地將天線效能表示為孔徑組件的函數.
在OptenniLab中, 當電磁模擬器的歸一化輻射模式與電磁系統的S參數矩陣一起導入時, 當終端電路放置在埠上時，軟件可以通過疊加適當的加權埠輻射模式來計算總輻射模式. 由此產生的總輻射模式可用於直接計算與調諧器相關的輻射效率, 促進對一些具有代表性的調諧器組件值的研究.

對於小型非諧振天線，作為調諧器組件函數的饋源埠阻抗通常不是非常有用的資訊，因為天線設計為僅與集總匹配電路一起工作。 相反，我們應該問，在給定的參攷回波損耗水准下，可以獲得多寬的頻寬？ OptenniLab有一個頻寬潜力計算工具[1]，可以幫助回答有關孔徑元素值的任何問題。

對於圖5（a）-（c），在每個環境配寘中，我們構建了輻射效率和可用頻寬的“映射”，作為幾個選定孔徑組件值的函數。 根據頻寬潜力計算的目標回波損耗水准為10dB。

Physical performance limitations of different configurations
When considering the ultimate performance limits of each configuration, 我們必須找到孔徑分量的最佳值，以最大限度地提高輻射效率. 最佳值取決於頻帶和配寘. 當我們設定優化目標並評估候選設計的效能時, 瞭解最終限制非常有用.

在本研究中，我們考慮了兩種情况：衛星導航頻段北斗B1-2（約1587-1592MHz）和3GPP頻段1（1920-2170MHz）。 對於單孔徑調諧器，可以通過調整孔徑組件的值輕鬆找到最佳輻射效率。射頻設計自動化軟體平臺可以實时重新計算輻射效率。 結果如下：

北斗B1-2

·自由空間：hrad，最大值=41%（-3.9dB），L孔徑=1.4nH

·手：hrad，最大值=24%（-6.2dB），L孔徑=3.4nH

·頭部：hrad，最大值=6%（-12.2dB），孔徑=斷路

3GPP頻段1

·自由空間：hrad，最大值=45%（-3.4dB），L孔徑=1nH

·手動：hrad，最大值=32%（-5.0dB），L孔徑=3nH

·頭部：hrad，最大值=6%（-12.2dB），L孔徑=5nH

理論和實際 匹配電路 performance
The radiation efficiency gives the physical upper limit of the total efficiency of the antenna at a given frequency. 在實踐中不可能達到這個物理上限, 因為它需要在整個頻帶上進行完美的無損阻抗匹配. 此外, 針對不同的配寘, 最佳阻抗 匹配電路 不一定相同. 考慮理論閉環孔徑調諧, 其中光圈組件適應環境的變化, 我們可以假設任何配寘的最佳光圈組件值. 但即便如此, 我們仍然必須接受在頻帶和配寘上進行阻抗匹配的折衷方案.