張范琦，項鐵銘，王龍龍

(杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江杭州310018)

0 引言

近年來，移動通信迅猛發(fā)展，3G已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，4G也在日漸成熟，因此未來的手機將要同時工作在多個通信頻段。天線作為手機通信設(shè)備的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)受手機結(jié)構(gòu)的限制，要求具有低剖面、小型化和內(nèi)置化等特點［1］?，F(xiàn)在的手機由于追求時尚而設(shè)計的越來越薄，因此用于設(shè)計手機天線的空間也就變得更小，這就給天線的設(shè)計帶來了很大的困難。激光直接成型(Laser Direct Structuring，LDS)技術(shù)是近幾年新興的一種賦形電路制備工藝，LDS技術(shù)可以有效地利用手機后殼來設(shè)計手機天線，從而不用受手機內(nèi)部空間的限制。本文針對LDS工藝設(shè)計了一款在手機后殼上的多頻段手機天線，使用Ansoft HFSS軟件對設(shè)計的天線進行仿真和優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了天線實物并對天線實物進行測試，實物測試結(jié)果與軟件仿真結(jié)果吻合度較好，符合當(dāng)前流行的手機天線設(shè)計要求，具有實際應(yīng)用價值。

1 LDS技術(shù)

LDS技術(shù)是一種專業(yè)的注塑成型、激光活化與化學(xué)電鍍的生產(chǎn)技術(shù)，其關(guān)鍵是對含有機金屬改性塑料注塑件進行化學(xué)電鍍之前對其表面進行有選擇的激光活化［2］。

LDS技術(shù)僅需注塑成型、激光活化和電路圖案金屬化3個步驟。LDS工藝需要使用LPKF公司開發(fā)的具有LDS性能的塑料，在熱塑性的塑料上注塑成型，然后用激光光束照射塑料表面，即激光活化，使激光照射區(qū)釋放出金屬粒子，并形成粗糙的表面，再經(jīng)過化學(xué)電鍍，最終得到符合設(shè)計要求的金屬導(dǎo)電圖案［3］。

LDS技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于天線設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、傳感器等技術(shù)領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的天線設(shè)備加工工藝，LDS技術(shù)具有制造流程短、環(huán)境友好、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。并且LDS技術(shù)具備完全的三維功能，可以根據(jù)實際需要的形狀設(shè)計手機天線。同時LDS技術(shù)也增強了手機空間的利用率，讓智能手機的機身達到一定程度的纖薄。文獻［4－6］中提到的手機天線都是利用LDS工藝設(shè)計而成，均合理利用了手機的殼體結(jié)構(gòu)，在極小的空間里設(shè)計了多款手機天線。而本文則是針對LDS工藝的優(yōu)勢，利用手機后殼上的空間設(shè)計了一款多頻段的手機天線，從而減少了手機內(nèi)部空間的占用，同時也避免了手機內(nèi)部元器件的干擾，保證了手機的信號。

2 天線設(shè)計

天線整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由天線輻射體、手機后殼、接地板3個部分組成。在天線設(shè)計的仿真和實物測量中，用厚度為0.8 mm的FR-4板來模擬手機后殼。在實際應(yīng)用中，接地板是借用手機主板的接地板，在本設(shè)計中用厚為0.1 mm的銅板來作為接地板。手機后殼的尺寸為110 mm×50 mm×0.8 mm，接地板的尺寸約為88 mm×50 mm×0.1 mm，接地板的形狀是在主板的基礎(chǔ)上挖去了天線輻射體所占的面積，并通過仿真優(yōu)化得出最符合設(shè)計目標(biāo)的尺寸值，具體尺寸如圖1中所示。

天線輻射體的結(jié)構(gòu)如圖2所示，饋電點的位置以及天線的設(shè)計尺寸在圖2中標(biāo)注。天線中最長的分支主要是用于實現(xiàn)對1 GHz附近頻段(GSM850、GSM900)的覆蓋，另外兩個分支則主要是用于實現(xiàn)對2 GHz附近頻段(DCS1800、PCS1900、UMTS2100、LTE2300、WiMAX2500、LTE2600)的覆蓋。

圖1 多頻手機天線結(jié)構(gòu)及接地板尺寸圖

圖2 天線輻射體的結(jié)構(gòu)

3 仿真與實測結(jié)果

對上文中設(shè)計的天線使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行仿真，軟件中建立的天線仿真模型圖如圖3所示，仿真得到的回波損耗如圖4所示。本文中設(shè)計的天線一共有3個諧振點，分別在930 MHz、1 920 MHz、2 270 MHz處，并且天線的回波損耗小于 －6 dB的頻帶分別為780 MHz 1 030 MHz、1 610 MHz 2 700 MHz，充分實現(xiàn)了對 GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900、UMTS2100、LTE2300、WiMAX2500、LTE2600頻段的覆蓋。

圖3 天線仿真模型圖

圖4 天線回波損耗仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，制作了天線實物，如圖5所示。由于使用LDS工藝加工少量天線的開模費用較高，本次天線設(shè)計使用厚度為0.02 mm的銅片貼附在FR4板上來模擬LDS工藝，并使用厚度為0.1 mm的銅板作為接地板，在天線饋電點處焊接50 Ω的同軸線連接頭。

本文中設(shè)計的天線實物使用RS公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVB進行實驗測試，測量結(jié)果與仿真結(jié)果的回波損耗對比如圖6所示。由圖6中可以看出，實測結(jié)果和仿真結(jié)果在目標(biāo)頻段范圍內(nèi)的回波損耗值具有比較好的一致性，誤差產(chǎn)生的原因可能是因為天線手工制作誤差。

使用Ansoft HFSS軟件得出的在3個諧振頻點930 MHz、1 920 MHz、2 270 MHz上的增益方向圖。天線在X－Z和Y－Z截面上的增益方向圖(Gain(dB))如圖7所示。由圖7中可以看出，天線在3個諧振頻點上的增益均大于2 dB，且具有較好的方向性。

圖5 天線實物圖

圖6 仿真結(jié)果與實測結(jié)果的回波損耗特性對比

圖7 天線方向圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一種新的天線加工工藝LDS技術(shù)，并通過模擬LDS工藝設(shè)計制作了一款多頻段的手機天線。通過仿真和實測結(jié)果可以看出，天線能實現(xiàn)對GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900、UMTS2100、LTE2300、WiMAX2500、LTE2600頻段的覆蓋，在多頻的無線通信系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景，同時鑒于LDS工藝的優(yōu)勢，在未來的三維天線設(shè)計領(lǐng)域必將得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］黎宇彪，吳多龍，吳艷杰，等.一種簡易結(jié)構(gòu)地板開槽的多頻段內(nèi)置單極子手機天線的設(shè)計［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，31(2):95 －98.

［2］邢振發(fā).3D-MIDS改性塑料的激光活化和金屬化［J］.印制電路信息，2003，(2):37－38.

［3］LDS－激光直接成型法促進3DMID廣泛應(yīng)用［J］.印制電路信息，2007，03∶72.

［4］Cihangir A，F(xiàn)errero F，Luxey C，et al.A bandwidth-enhanced antenna in LDS technology for LTE700 and GSM850/900 standards［C］//Antennas and Propagation(EuCAP)，2013 7th European Conference on.IEEE，2013:2 786 －2 789.

［5］Sonnerat F，Pilard R，Gianesello F，et al.Innovative LDS antenna for 4G applications［C］//Antennas and Propagation(EuCAP)，2013 7th European Conference on.IEEE，2013:2 773 －2 776.

［6］Sonnerat F，Pilard R，Gianesello F，et al.Wideband LDS antenna using two radiating elements［C］//Antennas and Propagation Conference(LAPC)，2012 Loughborough.IEEE，2012:1 －5.