李日辉+姚明

[摘 要]本文主要应用了传输线理论分析手机天线，从天线阻抗、Return Loss、天线表面电流和表面电场的角度对手机天线和传输线模型进行比对。并针对几种常用的天线形式如单极、PIFA、LOOP总结出各自的传输线等效模型和表面电场/电流的分布规律。可用于指导手机天线的设计。

[关键词]手机天线，天线之传输线等效模型，开路/短路传输线，表面电流/电场单极，PIFA，LOOP

中图分类号：TP313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0148-01

一、引言

目前，手机天线领域没有成熟的设计理论，给从业者带来了很大的困难。手机天线的设计一般是通过工程调试实现。

假设PIFA天线的天线辐射体离地高度只有2mm，宽度4mm，天线支架的介电常数Er=3.8，则辐射一般很差，完全可以视为50欧（特征阻抗）的有耗传输线。那么是否可以借用传输线的理论去分析PIFA天线的这种特殊情况。假设可行，是否可以通用于其他非特殊情况？这就是此理论最初的灵感来源。

仿真研究证明是完全可行的，单极天线和PIFA天线均可用开路型传输线等效；而LOOP天线则可用短路型传输线等效，于是发展成为一种手机天线的分析理论（图1）。

本文主要应用了传输线理论分析手机天线，从天线阻抗、ReturnLoss、天线表面电流和表面电场的角度对手机天线和传输线模型进行比对。并针对几种常用的天线形式如单极、PIFA、LOOP总结出各自的传输线等效模型和表面电场/电流的分布规律。可用于指导手机天线的设计。

二、无耗传输线理论基础

1.1 终端开路型

以上是开路传输线随长度的电压/电流/阻抗的分布规律，也可以转化为固定长度的传输线随频率的变化规律。

以长*宽*高=40*4*2mm，介质的Er=3.3的开路无耗传输线（其特征阻抗为50欧）为例，用smith原图表述输入阻抗随频率0.7G～3Ghz的变化规律如下图。可知，输入阻抗是沿着最外圈随频率顺时针旋转。M3（1.16G）为1/4波长的短路点，M5（2.31G）为1/2波长的开路点。

1.2 终端短路型

终端短路型传输线上电压电流随长度分布如下图。横轴L是从终端短路点开始的，此时为全反射，整个传输线上电压电流呈现驻波分布。短路点及1/2nλ（n=1，2..整数倍）处电压为零，电流最大，电抗为零，等效于串联谐振；而1/4+1/2nλ（n=0，1，2..整数倍）处电压最高，电流为零，阻抗无穷大，等效于并联谐振。

三、手机天线的传输线等效模型之阻抗仿真验证

单极天线属于末端开路型天线，故需要用开路型传输线来等效。由于天线具有辐射特性，所以需要加入辐射电阻。最终天线本体可以用8欧辐射电阻和长*宽*高=50*2*8mm，Er=3.3的开路无耗传输线（其特征阻抗为50欧）模拟。等效模型如下所示，同样的匹配电感4nH。

3.2 PIFA天线之传输线模型

3.2.1 传输线等效模型

以三频PIFA天线为例，CST仿真模型如下，PCB尺寸130*60*1mm，基材FR4，表面是铜（copper）；天线尺寸52*2mm，铜（copper）；天线支架8*6*60mm，普通PC（Er=3.2）。天线匹配：无。0.7G～3G范围内，长分支产生两个谐振点（0.9G和2.9G），短分支产生一个谐振点1.8G。

3.2.2 S参数分析

仿真smithchar如下，S11为传输线等效模型，S22为CST仿真模型。对比发现，阻抗特性基本相同，所不同的是传输线等效模型的1.8G附近的阻抗略微靠外。但这个差异已经不影响我们分析天线的阻抗形成原理，多倍谐振的产生原理等。

仿真Returnloss如下，S11为传输线等效模型，S22为CST仿真模型。两者的长分支的一倍谐振频点（0.9G）和三倍谐振频点（2.8G）和带宽基本一致，短分支的谐振频点（1.8G）略有差异。主要还是需要去微调TanD。

3.2.3 表面电场与电流分析

1）表面电场

2）表面电流

分布规律与单极天线类似，符合传输线分布规律。不再复述。

3.3.1 传输线等效模型

以LOOP天线为例，CST仿真模型如下，PCB尺寸130*60*1mm，基材FR4，表面是铜（copper）；天线尺寸50*2和55*2mm，铜（copper）；天线支架8*6*60mm，普通PC（Er=3.2）。天线匹配：4.7nH。0.7G～3G范围内，共产生三个谐振点（0.9G、1.8G、2.8G）。

3.3.2 S参数分析

仿真smithchar如下，S11为传输线等效模型，S22为CST仿真模型。对比发现，阻抗特性基本相同，所不同的是传输线等效模型在高频的阻抗圈更靠内，故需要针对各频点修正TanD。但这个差异不影响我们分析天线的阻抗形成原理和多倍谐振的产生原理等。

3.3.3 表面电场与电流分析

1）表面电场

如下图0.9G的天线表面电场分布和示意图，LOOP的尾端接地，电场E最低，中间的1/4波长电场最高，再经过1/4波长后电场E再次变低。符合1/2波长短路传输线的电场随长度的分布规律。

四、传输线等效模型的工程指导意义

手机天线设计者的主要工作量在于如何产生更多的天线谐振点以满足天线宽带的需求，并需要找出各谐振点产生的位置和影响因素，但很多时候是凭经验和无数次的工程调试，缺乏有效的理论指导。这套分析方法就是为了提供理论方法和实现天线的快速仿真。另外一個目的是为了设计者能更好的理解天线表面电场和表面电流的分布规律，以具备分析天线辐射特性的基础，另外也可以用于指导EMC干扰的设计。

A/B/C三点的调谐范围如下图所示（ReturnLoss），可知C点的调谐频率范围最宽，但B和C点差异不是很大。为了不影响天线的辐射性能同时又能达到足够的调谐范围，故建议开关放置于B点。

五、结论

通过对比手机天线（单极、PIFA、LOOP天线）和传输线等效模型的阻抗、ReturnLoss、表面电场、表面电流等几项关键参数。手机天线完全可以用传输线模型来等效。这套理论能让设计者更深刻的理解到天线谐振的本质、天线的表面电场和电流分布规律，实现了天线的快速仿真，并可实际指导天线的调试。

参考文献

[1] 《微波技术与天线》，殷际杰.