一种手机天线及其设计方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种手机天线及其设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，人们对天线的设计提出了越来越多的要求。现有手机天线低频段(1GHz以下)的设计有多种思路，但是都存在一个现象，即手机在低频段无论辐射枝节如何设置，其对应的辐射方向图都是在垂直于手机金属底板结构方向为近似全向分布，对应的辐射零点都存在于沿着手机长边的两端上。而这主要是由于在低频段时，手机地板电流分布是其主要的辐射源，因此，无论如何改变天线结构或是匹配网络，都难以对方向图的主辐射方向和零点位置起到很好的改变作用。由于这一现象，导致人们在使用手机时，尤其是打电话时会存在明显的性能回退。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手机天线及其设计方法，以解决现有手机在使用时出现低频段性能回退的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种手机天线的设计方法，所述手机天线的设计方法包括：

设计手机地板结构，并设置目标特征模；

对所述手机地板结构在低频段内进行仿真，以得到与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图；

根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络，以形成手机天线的结构。

可选的，在所述的手机天线的设计方法中，所述手机天线的设计方法还包括：对所述手机天线的结构进行仿真测试，若测试结果合格，则结束设计；若测试结果不合格，则对所述馈电点和所述馈点网络进行优化，并对优化后的手机天线的结构再次进行仿真测试，直至测试结果合格，结束设计。

可选的，在所述的手机天线的设计方法中，所述对所述手机地板结构在低频段内进行仿真，以得到与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图的方法包括：

对所述手机地板结构在1GHz频点进行仿真，以得到至少两个主要的特征模的电流分布图和方向图；

从所有特征模的电流分布图和方向图中挑选出与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图。

可选的，在所述的手机天线的设计方法中，所述根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络的方法包括：

根据所述电流分布图中的电流分布情况，在所述手机地板中对应电流分布不为0的区域均设置所述馈电点；

仿真优化设置了所述馈电点的所述手机地板，以使所述手机地板设置的所述馈电点的数量不超过4个；

对优化后的所有所述馈电点赋予对应的幅度和相位；

根据所有所述所述馈电点的所述幅度和所述相位设计馈电网路，以形成手机天线的结构。

可选的，在所述的手机天线的设计方法中，在根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络之前，所述手机天线的设计方法还包括：对得到与所述目标特征模一致的特征模进行激励，以提高所述特征模的权重，进而扩大所述电流分布图中的电流分布差异。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种利用如上任一项所述的手机天线的设计方法设计的手机天线，所述手机天线包括介质板、金属底板、金属顶板和天线走线；所述金属底板和所述金属顶板分别位于所述介质板的两个表面，所述天线走线与所述金属顶板同侧，且将所述金属顶板分割为若干个金属板块；所述天线走线的宽度为1±0.05mm，所述天线走线距所述金属顶板的最小距离为1mm。

可选的，在所述的手机天线中，所述天线走线包括至少一个馈电点和至少一个地点，所述馈电点与所述金属顶板电性连接，所述地点与所述金属底板电性连接。

可选的，在所述的手机天线中，所述天线走线包括一个馈电点和四个地点，所述馈电点位于所述金属顶板的中心位置，四个所述地点分别位于所述金属顶板的四条边的边缘中间位置。

可选的，在所述的手机天线中，所述金属顶板与所述金属底板的中心重合，且所述金属顶板的四条边比所述金属底板对应的四条边分别至少缩短3mm。

可选的，在所述的手机天线中，所述介质板上具有与所述地点相对应的孔洞，所述地点通过所述孔洞与所述金属底板电性连接。

本发明提供的手机天线及其设计方法，所述手机天线的设计方法包括：设计手机地板结构，并设置目标特征模；对所述手机地板结构在低频段内进行仿真，以得到与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图；根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络，以形成手机天线的结构。通过特征模的仿真方法，改变低频段手机天线的方向图，设计并优化了手机天线在低频段的结构，让方向图辐射零点朝向手机使用者的头部，从而使得手机天线在低频段时能够保证较高的性能。解决了现有手机在使用时出现低频段性能回退的问题。

附图说明

图1为本实施例提供的手机天线的设计方法流程图；

图2为本实施例提供的四个特征模对应的方向图；

图3为本实施例提供的图2(c)对应的特征模的电流分布图；

图4为本实施例提供的手机天线的结构示意图；

图5为本实施例提供的手机天线的结构侧视图；

图6为本实施例提供的手机天线设计最终的方向图；

其中，各附图标记说明如下：

10-介质板；20-金属底板；30-金属顶板；40-天线走线；41-馈电点；42-地点。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的手机天线及其设计方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

目前，通常采用特征模技术来对天线系统进行优化，以满足相关需求。特征模分析方法是近年来兴起的一种矩量法结合解析本征模理论求解电磁问题的方法。通过特征模分析，可以直接得到天线各个模式的特征值(λn)、特征电流(Jn)、特征角(CA)、模式电流系数MS等，在添加端口激励后，可以得到模式激励系数(MEC)、模式加权系数(MWC)、不同模式激励功率、不同模式反射系数与天线效率等。利用分析得到的不同模式信息，掌握天线谐振特性以及不同模式的辐射特性等，借助于不同模式特征电流的分布来选择最佳的馈电位置以激发出需要的模式，也有助于对天线进行开槽来微调其谐振位置。

本实施例基于特征模理论，提供了一种能够有效抗人体回退的手机天线的设计方法，如图1所示，所述手机天线的设计方法包括：

S1，设计手机地板结构，并设置目标特征模；

S2，对所述手机地板结构在低频段内进行仿真，以得到与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图；

S3，根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络，以形成手机天线的结构。

本发明提供的手机天线的设计方法，通过特征模的仿真方法，改变低频段手机天线的方向图，设计并优化了手机天线在低频段的结构，让方向图辐射零点朝向手机使用者的头部，从而使得手机天线在低频段时能够保证较高的性能。解决了现有手机在使用时出现低频段性能回退的问题。

进一步的，在本实施例中，所述手机天线的设计方法还包括：对所述手机天线的结构进行仿真测试，若测试结果合格，则结束设计；若测试结果不合格，则对所述馈电点和所述馈点网络进行优化，并对优化后的手机天线的结构再次进行仿真测试，直至测试结果合格，结束设计。通过不断的测试、调整和优化，使得最终的手机天线能够满足低频段的天线性能要求。

在本实施例中，所述对所述手机地板结构在低频段内进行仿真，以得到与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图的方法包括：

对所述手机地板结构在1GHz频点进行仿真，以得到至少两个主要的特征模的电流分布图和方向图；

从所有特征模的电流分布图和方向图中挑选出与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图。

低频段的范围为824MHz～960MHz，选择1GHz能够很好的覆盖所有低频范围，在此基础上进行初步调整后，再随机选择低频段中的任一频率进行优化调整，能够在计算量、工作量较少的情况下，快速得到最佳的设计结果。

此外，在本实施例中，所述根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络的方法包括：

根据所述电流分布图中的电流分布情况，在所述手机地板中对应电流分布不为0的区域均设置所述馈电点；

仿真优化设置了所述馈电点的所述手机地板，以使所述手机地板设置的所述馈电点的数量不超过4个；

对优化后的所有所述馈电点赋予对应的幅度和相位；

根据所有所述馈电点的所述幅度和所述相位设计馈电网路，以形成手机天线的结构。

所有电流不为0的点都是存在电流的，但是不可能将整个手机地板均设置馈电点，因此，需进行仿真优化挑选出个别馈电点，以使挑选出的馈电点能够满足整个手机地板的馈电需求。同时，通过馈电点的特性特征，来设计馈电网络以构成手机天线。如此，类似于反向思维的方式，便可以得到低频性能受头手影响较小的手机天线结构。

由于特征模在1GHz下对应特征权重很低，不能被正常激励。因此，在根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络之前，所述手机天线的设计方法还包括：对得到与所述目标特征模一致的特征模进行激励，以提高所述特征模的权重，进而扩大所述电流分布图中的电流分布差异。

以下，以一具体实施例来说明本实施例所提供的设计方法是如何实现对手机天线的设计的。

首先，设计手机地板结构，并设置目标特征模。

本实施例中设计手机地板尺寸为常规手机尺寸，150×80mm，并使手机地板沿XY平面放置。一般而言，由于地板起主要辐射作用，因此其方向图的最大辐射方向在YZ平面。而目标特征模中的方向图应当位于XZ平面，以使手机天线的最大辐射方向在XZ平面，进而保证在人们使用手机时，天线受头手的影响最小，以降低使用手机时天线在低频段的性能回退。

接着，对所述手机地板结构在低频段内进行仿真，以得到与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图。在本实施例中，利用CST电磁仿真软件仿真1GHz频点的四个主要特征模式的电流分布图和方向图。如图2所示，为仿真出的对应的四个特征模对应的方向图。从图2中可以看出，图2(c)中的手机天线的最大辐射方向在XZ平面，受头手的影响较小，符合我们的目标特征模。因此，将图2(c)对应的特征模挑选出来，留待做下一步动作。

由于特征模在低频段时对应的权重很低，不能被正常激励，因此需要通过特殊手段来激励图2(c)对应的特征模，以提高所述特征模的权重，进而扩大所述电流分布图中的电流分布差异。

然后，继续利用CST软件仿真图2(c)对应的特征模中的电流分布，如图3所示，可以看出电流在手机地板的四个边的特定位置都有较为强烈的分布，而在中间位置的电压较小。理论上，应当在每个电流不为0的区域均设置馈电点并赋予所有馈电点对应的激励幅度和相位才能保证所激励的方向图与图2(c)完全一致。但是考虑到实际情况，不可能在手机地板设设置太多的馈电点，因此需要通过仿真优化，使得馈电点的数量减少，在本实施例中，简化后的馈电点为4个，四个馈电点分别分布于手机地板四个边的中点附近。

同时，可以得到四个馈电点对应的幅度和相位分别为(1,-133°)、(1,61°)、(0.52,-177°)和(0.55,-169°)。将对应的激励幅度和激励相位分别输送给四个馈电点后，便可以实现满足抗回退的要求。

本实施例还提供一种利用如上设计方法设计的手机天线，如图4和图5所示，所述手机天线包括介质板10、金属底板20、金属顶板30和天线走线40；所述金属底板20和所述金属顶板30分别位于所述介质板10的两个表面，所述天线走线40与所述金属顶板30同侧，且将所述金属顶板30分割为若干个金属板块；所述天线走线40的宽度为1±0.05mm，所述天线走线40距所述金属顶板30的最小距离为1mm。

本实施例提供的手机天线，通过特征模的仿真方法，使得手机天线在低频段的方向图发生了改变，进而使得手机天线在低频段的结构得到了优化，使手机天线的方向图辐射零点朝向手机使用者的头部，从而使得手机天线在低频段时能够保证较高的性能。解决了现有手机在使用时出现低频段性能回退的问题。

在本实施例中，所述天线走线40包括至少一个馈电点41和至少一个地点42，所述馈电点41与所述金属顶板30电性连接，所述地点42与所述金属底板20电性连接。由于金属底板20和金属顶板30位于介质板10的不同表面，且天线走线40与所述金属顶板30同侧，因此，需要在所述介质板10上设置有与所述地点42相对应的孔洞，所述地点42通过所述孔洞与所述金属底板20电性连接。

以本实施例提供的设计方法进行设计发现，当所述天线走线40包括一个馈电点41和四个地点42，所述馈电点41位于所述金属顶板30的中心位置，四个所述地点42分别位于所述金属顶板30的四条边的边缘中间位置时，手机天线的辐射性能最好，且受头手的影响最小，能够有效抗回退。

进一步的，在本实施例中，所述金属顶板30与所述金属底板20的中心重合，且所述金属顶板30的四条边比所述金属底板20对应的四条边分别至少缩短3mm。也就是说，所述金属顶板30在所述介质板10上的垂直投影的边缘比所述金属底板20在所述介质板10上的垂直投影的边缘小至少3mm。如此一来，在介质板10上用于过地点42的孔洞能够设置在金属顶板30的外侧，保证了金属顶板30结构的完整性，且能够避免地点42对金属顶板30电流辐射的影响。

请参见图1，为利用本实施例提供的设计方法所设计的手机天线结构示意图。可以看出，金属顶板30位于介质板10的一侧表面，天线走线40与金属顶板30同侧，且天线走线40包括四个辐射枝节，利用其走线布局将金属顶板30分割为四个金属板块。其中，天线走线40的四个辐射枝节共享有一个馈电点41，所述馈电点41位于金属顶板30的中间位置；每个辐射枝节分别延伸至金属顶板30的四条边的边缘中心位置，且在辐射枝节末端设置有地点42。如此一来，使得金属顶板30的每条边上均具有较好的馈电性能，从而提高了天线整体的辐射性能。利用仿真软件进行仿真后，调整每条辐射枝节的走线布局，得到的方向图如图6所示，从图6可以看出，设计最终的手机天线不仅具有较好的辐射性能，还有较好的抗回退性能。

需要说明的是，手机天线中天线走线40的具体的走线长度和尺寸与对应的介质板10的介电常数有关。在本实施例中，选择介质板10的厚度为0.254mm，介电常数为2.2，设计出的结构如图1所示。因此，在其他实施例中，由于选择的介质板10的尺寸及相关参数不同，其天线走线40的具体布局及结构也不同。在不违背本发明的主旨的其他相似设计也应当属于本发明的保护范围。

综上所述，本实施例提供的手机天线及其设计方法，所述手机天线的设计方法包括：设计手机地板结构，并设置目标特征模；对所述手机地板结构在低频段内进行仿真，以得到与所述目标特征模一致的特征模的电流分布图和方向图；根据所述电流分布图和所述方向图设计馈电点和馈电网络，以形成手机天线的结构。通过特征模的仿真方法，改变低频段手机天线的方向图，设计并优化了手机天线在低频段的结构，让方向图辐射零点朝向手机使用者的头部，从而使得手机天线在低频段时能够保证较高的性能。解决了现有手机在使用时出现低频段性能回退的问题。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。