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标题: 基于IML工艺的天线设计方法 [打印本页]

作者: Bazinga 时间: 2015-7-21 16:31 标题: 基于IML工艺的天线设计方法

1 引言IML（IN MOLDING LABEL）即模内镶件注塑，是集丝网印刷、成型和注塑相结合的一种新型模内装饰技术。目前该工艺在装饰产品上已经有广泛应用，应用到天线设计上可节约空间，简化生产流程，具有很大的潜在发展能力。IML技术不但改善产品的品质，还为产品创新拓宽了空间，提升了产品的附加值。

本文采用的IML工艺是将天线镶嵌在手机后壳里，具有稳定和耐磨性的同时也对天线的调试造成了很大的不便。为了克服调试上的这种困难，我们采用安捷伦公司的AMDS软件对天线进行模拟仿真，在该软件中可以很直观地看到手机中各个器件，且能做到对几微米厚度材料的模拟，得到的结果和实测结果有高度的一致性。同时也可以在设计前期找到天线的敏感区，降低生产中的不良率，降低生产风险，掌握天线的SAR，HAC等基本参数，为最终设计调试提供可靠的理论支持，减少设计周期和成本。目前该技术已初步应用于集团IML天线的生产开发过程，是行之有效的设计手段。

2 设计原理及概述2.1 传统天线设计在传统的手机天线设计初期，主要用PCB板，天线支架，铜皮制作MOCKUP(图1)，使用网络分析仪来调试天线。这种方法的主要特点是将铜皮贴在支架上，通过改变天线的形状、大小等进行调试，因此无法调试镶嵌在手机后壳里中的天线，同时也无法测试天线的SAR、HAC等参数，无法适应新天线的设计要求。

图1 MOCKUP的制作

2.2 IML天线设计（1）制作IML天线的流程
在天线中应用IML技术是一项新兴技术，它是把天线用IML技术集成到手机后壳中，即将天线压入后盖Film薄膜经过成型机Forming成型，再经过剪切后放置到注塑模具内注塑而成。

（2）IML天线优缺点
优点：由于天线集成到手机后壳里，增加了天线与Speaker及其他射频模块的相对距离，减少相互干扰，提高天线性能；在量产中，简化工艺流程，减少人为因素造成的不良，降低生产成本，且生产出的天线具有良好的一致性。
缺点：IML天线在进行高压成型时由于拉伸作用很容易造成天线的变形，从而影响天线性能；由于天线镶嵌在天线后壳里，后壳的厚度和材质对天线有很大的影响，因此无法用传统的方法进行调试。

（3）解决方案
在传统天线MOCKCUP调试设计手段无法胜任这方面的任务时，我们采用安捷伦公司的AMDS仿真软件来调试IML天线，较好地解决了这一问题。
1）由图2可以看出，在弯曲度大的地方拉伸时的变形量也相对较大，为了减小成型时的变形对天线性能的影响，应尽量将天线的敏感区设计到平面上，通过AMDS的仿真可以很容易地找到天线的敏感区。
2）AMDS软件可以在网格化后很清楚地显示手机壳里的天线形状和尺寸，形象地模拟了天线的真实环境，仿真结果精确，且高效快速，可以大幅加速设计开发周期，减少设计成本。

图2  网格拉伸示意图
3  仿真设计IML天线3.1  仿真模型建立仿真的流程是：导入3D 模型→设置材料参数和优先级→模型网格化→设置馈线端口及其它参数→仿真运算→优化设计。
在划分网格时，需要兼顾精度和时间。应将天线、PWB等对天线影响大的器件分网格时要密一些，但要确保模型中的天线尺寸和实际尺寸要一致。

3.2  调试天线的曲面敏感区1）整体模型的网格划分:1mm*1mm*1mm.天线网格划:0.3mm*0.2mm*0.2mm.

2）从图3的天线可以看出：该天线的①②部分的弯曲度比较大，在高压成型后的变形大一些，因此我们需要评估天线这两个部分的敏感度。

图3 手机天线模型

将①部分从边缘开始每0.4mm减去一次，共5次，每减一次计算其RL特性曲线。对②重复①的操作。在每次变化其中一部分时，天线其他部分应保持不变。对天线进行仿真得到RL特性曲线如图4所示：

① 部分每次减0.4mm，减5次的RL仿真结果图

② 部分每次减0.4mm，减5次的RL仿真结果图
图4 RL仿真比较图

从图4中的两幅图中可以看出：①的RL曲线的变化比较大，属于敏感区，因此在设计时应将①的面积尽量减少，以减少在高压成型时天线形状的变形量。综合天线的设计经验，将①的位置调试到③位置（平面区域）后，再模拟仿真后，天线的性能基本没有变化，但是减少了天线敏感区在易拉伸变形区的面积。经过大量的调试和仿真评估，最后得到的天线为如图5，这样天线敏感区在曲面上的部分转移到平面上，很大程度上减少了在印刷冲压后造成的天线变形，克服了在天线在IML工艺中最大的难题，为以后的批量生产奠定了良好的基础。

图5 调试后的最终天线

4 测试和仿真结果4.1 仿真和测试结果的比较（1）RL比较

在天线优化设计后，利用DELL490台式电脑（带有一个xFDTD加速卡）进行宽带仿真，耗时58分钟，得到天线的RL。将上述设计的天线经IML工艺生产后测试和仿真的RL对比如图6，从图中可以看到：实测结果和仿真结果基本是一致的，也证明了这种天线设计方案的可行性。

图6 虚线是测试数据，实线是仿真数据

（2）效率的比较
将该模型的的输入馈源，采用点频仿真，并改变相应的频率，经过约32分钟的计算便可得到天线的效率，如表1所示。

表1 效率仿真和测试结果对比

频率(MHz)	仿真结果	实测结果
1850	52.6%	54.9%
1920	55.1%	59.2%
1990	48.7%	51.3%
824	43.2%	45.7%
859	48.6%	49.8%
894	44.1%	46.4%

（3）SAR比较
SAR(Specific Absorption Rate)，手机行业中主要关注的是天线对人类头部的影响，SAR值的大小和手机的辐射功率密切相关。在天线设计中，要尽量减少SAR值，使之通过相应的规范。在软件仿真中，将SAM(头部)模型导入原来模型中，并调节手机和SAM到合适位置，采用点频馈源仿真。注意：在仿真不同频率SAR时，要改变不同频率下组织液的相对介电常数和导电率，一次计算大约47分钟后得到如表2的仿真结果。
表2 SAR仿真和测试结果对比

信道	仿真结果	实际测试结果
Ch512	0.956mw/g	1.08mw/g
Ch661	1.062mw/g	1.16mw/g
Ch810	0.904mw/g	1.03mw/g
Ch128	1.051mw/g	1.04mw/g
Ch190	1.127mw/g	1.21mw/g
Ch251	1.024mw/g	1.18mw/g

从实验室的测试数据看，仿真和测试有很好的一致性。

（4）HAC比较
HAC(Hearing Aid Compatibility)。在进入美国的手机中，有一部分手机需要测试HAC并要通过相应的标准。表3 HAC仿真和测试结果对比

	Measure		Simulation
	E-Field (V/m)	H-Field (A/m)	E-Field (V/m)	H-Field (A/m)
Ch512	162/M2	0.351/M2	154.360/M2	0.3434/M2
Ch661	168.2/M2	0.401/M2	159.691/M2	0.3962/M2
Ch810	165.3/M2	0.337/M3	156.159/M2	0.3385/M3
Ch128	329.7/M1	0.31 /M3	316.62/M1	0.3265/M3
Ch190	340.2/M1	0.329/M3	343.624/M1	0.3315/M3
Ch251	338.8/M1	0.345/M2	340.414/M1	0.3518/M2

4.2 传统天线设计和仿真技术的比较从表4可以看出采用软件仿真可以减少设计成本，缩短产品开发周期，并且可以很好地解决IML技术中的问题。
表4 传统天线设计和仿真技术的比较

		可行性	时间	精度	费用/元	其他
I M L	仿真技术	√	3天	85%	基本无	可找出敏感区
I M L	MOCKUP	参考	5~7天	60%	2000~5000	N/A
传统设计	仿真技术	√	3天	85%	基本无	可模拟整机
传统设计	MOCKUP	√	5~7天	90%	2000~5000	N/A

5 结论和体会本文设计了一款基于IML工艺的双频手机天线，由于用IML工艺生产的天线是集成在手机壳里的，难以采用传统方法调试，因此我们用电磁仿真软件AMDS设计、调试了天线，根据设计生产出了IML天线样品并测出了RL曲线，仿真与测试结果有很好的一致性，验证了我们的设计的。采用这种新技术，新工艺设计天线可以节约大量的成本，缩短研发周期，提高产品的竞争力。

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