用于便携式电子产品的紧凑型高性能天线

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Convergentia 是全球首家“虚拟构建工厂”，专门为包括消费电子市场在内的各行各业的客户提供虚拟原型设计服务。

如今，智能手机和平板电脑等便携式设备包含许多无线系统，包括蜂窝、Wi-Fi 和 GPS。每个系统都需要一个功能性天线，因为天线性能不佳可能会导致数据吞吐量低或覆盖范围差等不良用户体验，并可能导致通话掉线和汽车导航失败。另一方面，设备必须看起来很吸引人，并且它们的尺寸必须最小化。

器件的薄度和金属结构的存在给天线设计带来了挑战。如果没有 3D 模拟，天线性能不佳或工业设计笨拙的风险很高。天线验证的替代方法是使用多轮原型设计，这既昂贵又需要很长的交付周期。但是，有些东西不能用原型进行有效研究，例如接地结构和阻抗匹配网络。

为了使 3D 模拟有用，模拟结果需要与测量数据相关联。两者之间的良好一致性对于建立对模拟数据的信心是必要的。Convergentia 发现，当两者出现差异时，主要是由于仿真模型和原型缺乏相似性，因为对显示、触控等所有复杂结构进行 1 对 1 建模是不切实际的，甚至是不可能的。传感器或扬声器。在感兴趣的频率下，材料特性也可能是未知的。因此，如何从机械 3D 模型中判断无法直接使用的部件如何建模，取决于天线设计人员的能力。Convergentia 的工程师在电子系统建模和设计方面拥有多年经验，并寻求一种能够让他们充分发挥技能的仿真工具。出于这个原因，他们求助于 CST Studio Suite® 的强大求解器。

准确建模 PCB 布局和接地结构

大多数现代集成天线包括用于阻抗匹配的集总元件或射频开关，尽管由于 LTE 中的频带数量众多，芯片组供应商已开始在其电路中包含集成天线匹配调谐器。在研发过程的早期阶段，可以使用电路模拟器设计调谐元件，但对于工作原型，布局模拟是必须的。这在较高频率 (f > 1.7 GHz) 时尤其重要，因为此时布局寄生效应可能占主导地位。

传统上，天线调谐是使用网络分析仪通过优化天线的回波损耗来完成的。在没有匹配网络的情况下，良好的阻抗匹配通常也能确保良好的辐射特性。可以在消声室中检查天线的效率。这种设计过程不能用于具有匹配网络的天线，因为良好的阻抗匹配可能更多地考虑网络中的损耗而不是天线的良好辐射。通过组合天线和布局仿真，工程师可以避免额外的 PCB 设计轮次，并跳过繁琐而缓慢的天线调谐过程。

天线需要适当的接地层才能正常工作。这在具有多个独立金属部件的小型设备中可能难以实现。在设备上创建良好的接地层意味着金属部件应连接在一起，以实现最大的天线性能。如果接地结构设计不当，可能会导致带宽不足或无意中产生射频陷阱，从而使天线损耗增加数分贝。这种有损谐振对于天线设计者来说是众所周知的，并且在原型中很难跟踪和纠正。可能需要数周时间才能找到这些问题的原因，并且需要新一轮的原型设计来解决问题。仿真使无需构建原型的成本即可检查设计成为可能，

CST Studio Suite 的强大功能和多功能性让我们能够充分利用我们的模拟专业知识，为我们的客户提供尖端的虚拟原型解决方案。

Sami Hienonen 博士

Convergentia Ltd 技术经理

真实系统的准确虚拟原型

Convergentia 构建了一个平板电脑原型，其中包含主要和次要蜂窝天线，以及 GPS 和 Wi-Fi 天线。蜂窝天线是安装在塑料天线载体上的柔性型天线，带有用于天线阻抗匹配和馈电夹的小型 PCB。GPS 天线蚀刻在单独的 PCB 上，Wi-Fi 天线为陶瓷类型。

Convergentia 发现仿真和测量的相关性非常好。阻抗匹配是用两个线圈和两个电容器进行的。Convergentia 发现仿真和测量的差异是由于模型和物理现实的差异造成的：陶瓷的材料特性以及 PCB 接地的细节未知，导致 Wi-Fi 天线存在一些差异频率响应。通过稍微调整天线和材料特性，他们发现了预期的性能。初级蜂窝天线仿真结果与测量结果具有良好的相关性。

通过虚拟原型设计，原型轮次的数量与设备开发时间一起减少。这种加速来自两个因素。首先，在物理原型制作过程中，由于天线性能问题，无需进行机械更改或 PCB 更改。只需进行微调，就可以充分利用天线的所有潜力。其次，由于所有天线都按构造工作，因此无需等待天线设计人员首先让天线工作即可开始其他区域的测试。例如，可以立即开始 EMC 和数据吞吐量测试。虚拟构建成功的前提是仿真模型与即将推出的原型相对应，包括匹配的网络布局和设备的接地结构。

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