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基于IML工艺的天线设计方法

作者:时间:2017-06-03来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/347488.htm

1 引言

(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。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,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,降低生产中的不良率,降低生产风险,掌握天线的等基本参数,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,应尽量将天线的设计到平面上,通过AMDS的可以很容易地找到天线的

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)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)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

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

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。



关键词: IML 仿真 敏感区 SAR HAC

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