摘要：

如今，智能手機(jī)非常流行。自2010年推出iPhone 4以來，金屬邊框天線方案已被廣泛用于智能手機(jī)設(shè)計中。除此之外，塑料中框+FPC天線方案也被廣泛應(yīng)用于中、低端機(jī)型。這些技術(shù)有效地擴(kuò)展了天線的尺寸，使得它不再局限于智能手機(jī)內(nèi)部的狹小空間。不過隨著越來越多的攝像頭、PCB電路板、NFC、馬達(dá)、大電池等元器件的堆疊，使得天線所能獲得的凈空區(qū)域愈加窄小。這直接導(dǎo)致天線性能的降級，尤其是帶寬明顯變窄，天線總效率變低。為了在復(fù)雜環(huán)境下快速高效地進(jìn)行手機(jī)天線方案的預(yù)仿真、調(diào)試，基于特征模理論的電小天線模式分析-組合法成為了主流。

本文使用的軟件為CST 2018版本

手機(jī)天線的發(fā)展經(jīng)歷了外置-內(nèi)置-開放式金屬中框天線這幾個階段。具體可以通過[敏感詞]三個圖直觀感受一下：

• 外置天線是移動電話領(lǐng)域中天線系列的第一個成員，它于1983年出現(xiàn)在第一臺商用手機(jī)Motorola DynaTAC 8000X。由于輻射天線外置能獲得較大的凈空區(qū)，且天線周圍環(huán)境簡單，因此天線性能良好。

• 內(nèi)置天線出現(xiàn)在20世紀(jì)末，并獲得了廣泛的應(yīng)用并在在短短幾年內(nèi)風(fēng)靡全球。諾基亞3210于1999年投放市場，獲得了巨大的成功。諾基亞也是第一家成功銷售帶有內(nèi)置天線的主流手機(jī)公司。

• 金屬中框天線初創(chuàng)于iPhone 4。當(dāng)年喬布斯富有激情的向我們講解了iPhone 4手機(jī)最偉大的設(shè)計之一：獨(dú)具匠心地利用金屬中框充當(dāng)手機(jī)天線。iPhone 4手機(jī)的機(jī)身四周被兩條不銹鋼金屬所包裹，其巧妙地集成了UMTS、GSM網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS的天線。雖然當(dāng)時蘋果公司獨(dú)具匠心地將iPhone 4的手機(jī)天線和邊框整合在一起，使得整機(jī)一體化，更富有時尚氣息，但用戶一旦緊握手機(jī)，就會導(dǎo)致信號接收質(zhì)量下降。即便如此，IPhone 4敢于第一個吃螃蟹，也在一定程度上引領(lǐng)了現(xiàn)在旗艦機(jī)型的手機(jī)天線設(shè)計。

隨著時代的發(fā)展，手機(jī)從直板式，觸屏手機(jī)，智能手機(jī)，到現(xiàn)在朝著“一機(jī)在手，天下我有”的智慧手機(jī)發(fā)展，可謂是飛速更迭，百花齊放。除了功能上的日趨完善，現(xiàn)在的手機(jī)在外形上也是創(chuàng)新不斷：例如vivo搭載升降攝像頭的NEX，oppo雙軌潛望結(jié)構(gòu)將攝像頭隱藏在手機(jī)內(nèi)部的Finder X，華為采用8英寸可折疊柔性屏的新一代5G折疊手機(jī)——Mate X2，全球第一臺搭載1億像素相機(jī)的手機(jī)——小米Mix Alpha，把一塊柔性屏做成雙折的環(huán)繞屏手機(jī)。國產(chǎn)HOVM四大家可謂是“煞費(fèi)苦心”，“爭奇斗艷”。不過非常規(guī)結(jié)構(gòu)的智能機(jī)也給手機(jī)天線設(shè)計帶來了較大挑戰(zhàn)！

不過，再花里胡哨的手機(jī)，其天線設(shè)計方法和類型還是萬變不離其宗。

特征模理論最開始由Garbacz在A generalized expansion for radiated and scattered fields一文中提出，然后Harrington和Mautz在Theory of characteristic modes for conducting bodies中進(jìn)一步加以完善。

特征模理論最大的亮點(diǎn)在于：不考慮饋電結(jié)構(gòu)的情況下，可以給出任意形狀金屬結(jié)構(gòu)的所有輻射模式，類似于波導(dǎo)里的TE10，TE11等正交模式，這些輻射模式我們就稱之為“特征模”。關(guān)于特征模的相關(guān)理論和公式可以參考文末的資源分享，這里我們將一個輻射模式的激勵程度定義為模式激勵系數(shù)，這個系數(shù)的取值范圍為0~1，越接近于1則代表其越容易被激勵。

為了更直觀地理解這個專有名詞，我們對簡單的dipole天線進(jìn)行特征模分析。（點(diǎn)擊[敏感詞]小圖即可看清晰版本）

在電路分析中，諧振的定義是輸入阻抗虛部為0，即諧振頻點(diǎn)落于Smith圓圖的純電阻線上。從CST時域求解器仿真結(jié)果可以看出，6.185GHz和19.16GHz兩個頻點(diǎn)在純電阻線附近，兩者之間還有一個頻點(diǎn)靠近開路點(diǎn)。從S11上來看，難以分辨出其屬于諧振狀態(tài)。而在CST積分方程求解器的仿真結(jié)果則可以很清晰地看出在定義的仿真頻段內(nèi)，6.392GHz，13.16GHz，20.04GHz三個頻點(diǎn)的模式激勵系數(shù)達(dá)到峰值。特征模方法對天線設(shè)計具有指導(dǎo)意義：即給定任意結(jié)構(gòu)輻射金屬，可以從理論上求解出所有能激勵的輻射模式，且各模式之間滿足正交性。

由于Monopole相比Dipole能減少一半尺寸，因此在早期的手機(jī)內(nèi)置天線中也經(jīng)常用到。如下圖所示，為了進(jìn)一步降低Monopole的剖面尺寸，其輻射臂被折疊起來，且從饋電處開始有兩路分支，以用來實(shí)現(xiàn)雙頻諧振。

Monopole仿真示例

傳統(tǒng)的Loop天線為工作頻率的一個波長，為了縮減天線尺寸，根據(jù)鏡像原理可構(gòu)造出如下圖所示的半波Loop天線：

Loop天線圖示

在現(xiàn)如今智能手機(jī)的內(nèi)部空間可謂是“寸土寸金”，小凈空下的單極子天線，其Smith圈往往比較靠外，不好匹配。如果按下圖所示，在饋電處并聯(lián)一個小電感，Smith圈就會縮小；除此之外，匹配良好的頻點(diǎn)則會偏移到低頻（如下圖黑色圓所示，并聯(lián)電感后該點(diǎn)能逆時針挪動到匹配中心），即并聯(lián)電感能進(jìn)一步縮小天線尺寸（天線輻射效率可能有一定程度的下降！）。

如果將集總參數(shù)的并聯(lián)電感轉(zhuǎn)化為接地的微帶線，這即是IFA天線的雛形。此時可以通過變化接地微帶線尺寸對天線的工作頻率和阻抗特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，相較于單極子而言無需增加額外的匹配元件。

左圖為彎折的Monopole天線

右圖為彎折的IFA天線

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