基于LDS工藝的多頻段手機天線設計

張范琦，項鐵銘，王龍龍

(杭州電子科技大學天線與微波技術研究所，浙江杭州310018)

0 引言

近年來，移動通信迅猛發展，3G已經得到廣泛的應用，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備的重要組成部分，其結構受手機結構的限制，要求具有低剖面、小型化和內置化等特點［1］。現在的手機由于追求時尚而設計的越來越薄，因此用于設計手機天線的空間也就變得更小，這就給天線的設計帶來了很大的困難。激光直接成型(Laser Direct Structuring，LDS)技術是近幾年新興的一種賦形電路制備工藝，LDS技術可以有效地利用手機后殼來設計手機天線，從而不用受手機內部空間的限制。本文針對LDS工藝設計了一款在手機后殼上的多頻段手機天線，使用Ansoft HFSS軟件對設計的天線進行仿真和優化，根據優化結果制作了天線實物并對天線實物進行測試，實物測試結果與軟件仿真結果吻合度較好，符合當前流行的手機天線設計要求，具有實際應用價值。

1 LDS技術

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

LDS技術僅需注塑成型、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，使激光照射區釋放出金屬粒子，并形成粗糙的表面，再經過化學電鍍，最終得到符合設計要求的金屬導電圖案［3］。

LDS技術目前已廣泛應用于天線設備、醫療設備、汽車電子、傳感器等技術領域。相比于傳統的天線設備加工工藝，LDS技術具有制造流程短、環境友好、精度高、穩定性好等優點。并且LDS技術具備完全的三維功能，可以根據實際需要的形狀設計手機天線。同時LDS技術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工藝設計而成，均合理利用了手機的殼體結構，在極小的空間里設計了多款手機天線。而本文則是針對LDS工藝的優勢，利用手機后殼上的空間設計了一款多頻段的手機天線，從而減少了手機內部空間的占用，同時也避免了手機內部元器件的干擾，保證了手機的信號。

2 天線設計

天線整體結構如圖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。在實際應用中，接地板是借用手機主板的接地板，在本設計中用厚為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上挖去了天線輻射體所占的面積，并通過仿真優化得出最符合設計目標的尺寸值，具體尺寸如圖1中所示。

天線輻射體的結構如圖2所示，饋電點的位置以及天線的設計尺寸在圖2中標注。天線中最長的分支主要是用于實現對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 多頻手機天線結構及接地板尺寸圖

圖2 天線輻射體的結構

3 仿真與實測結果

對上文中設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果

根據仿真結果，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。

本文中設計的天線實物使用RS公司的矢量網絡分析儀ZVB進行實驗測試，測量結果與仿真結果的回波損耗對比如圖6所示。由圖6中可以看出，實測結果和仿真結果在目標頻段范圍內的回波損耗值具有比較好的一致性，誤差產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 仿真結果與實測結果的回波損耗特性對比

圖7 天線方向圖

4 結束語

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

［1］黎宇彪，吳多龍，吳艷杰，等.一種簡易結構地板開槽的多頻段內置單極子手機天線的設計［J］.廣東工業大學學報，2014，31(2):95 －98.

［2］邢振發.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廣泛應用［J］.印制電路信息，2007，03∶72.

［4］Cihangir A，Ferrero 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.