基于IML工藝的天線設計方法

1 引言

IML（IN MOLDING LABEL）即模內鑲件注塑，是集絲網印刷、成型和注塑相結合的一種新型模內裝飾技術。目前該工藝在裝飾產品上已經有廣泛應用，應用到天線設計上可節約空間，簡化生產流程，具有很大的潛在發展能力。IML技術不但改善產品的品質，還為產品創新拓寬了空間，提升了產品的附加值。

本文采用的IML工藝是將天線鑲嵌在手機后殼里，具有穩定和耐磨性的同時也對天線的調試造成了很大的不便。為了克服調試上的這種困難，我們采用安捷倫公司的AMDS軟件對天線進行模擬仿真，在該軟件中可以很直觀地看到手機中各個器件，且能做到對幾微米厚度材料的模擬，得到的結果和實測結果有高度的一致性。同時也可以在設計前期找到天線的敏感區，降低生產中的不良率，降低生產風險，掌握天線的SAR，HAC等基本參數，為最終設計調試提供可靠的理論支持，減少設計周期和成本。目前該技術已初步應用于集團IML天線的生產開發過程，是行之有效的設計手段。

2 設計原理及概述

2.1 傳統天線設計

在傳統的手機天線設計初期，主要用PCB板，天線支架，銅皮制作MOCKUP(圖1)，使用網絡分析儀來調試天線。這種方法的主要特點是將銅皮貼在支架上，通過改變天線的形狀、大小等進行調試，因此無法調試鑲嵌在手機后殼里中的天線，同時也無法測試天線的SAR、HAC等參數，無法適應新天線的設計要求。

圖1 MOCKUP的制作

2.2 IML天線設計

（1）制作IML天線的流程

在天線中應用IML技術是一項新興技術，它是把天線用IML技術集成到手機后殼中，即將天線壓入后蓋Film薄膜經過成型機Forming成型，再經過剪切后放置到注塑模具內注塑而成。

（2）IML天線優缺點

優點：由于天線集成到手機后殼里，增加了天線與Speaker及其他射頻模塊的相對距離，減少相互干擾，提高天線性能；在量產中，簡化工藝流程，減少人為因素造成的不良，降低生產成本，且生產出的天線具有良好的一致性。

缺點：IML天線在進行高壓成型時由于拉伸作用很容易造成天線的變形，從而影響天線性能；由于天線鑲嵌在天線后殼里，后殼的厚度和材質對天線有很大的影響，因此無法用傳統的方法進行調試。

（3）解決方案

在傳統天線MOCKCUP調試設計手段無法勝任這方面的任務時，我們采用安捷倫公司的AMDS仿真軟件來調試IML天線，較好地解決了這一問題。

1）由圖2可以看出，在彎曲度大的地方拉伸時的變形量也相對較大，為了減小成型時的變形對天線性能的影響，應盡量將天線的敏感區設計到平面上，通過AMDS的仿真可以很容易地找到天線的敏感區。

2）AMDS軟件可以在網格化后很清楚地顯示手機殼里的天線形狀和尺寸，形象地模擬了天線的真實環境，仿真結果精確，且高效快速，可以大幅加速設計開發周期，減少設計成本。

圖2 網格拉伸示意圖

3 仿真設計IML天線

3.1 仿真模型建立

仿真的流程是：導入3D 模型→設置材料參數和優先級→模型網格化→設置饋線端口及其它參數→仿真運算→優化設計。

在劃分網格時，需要兼顧精度和時間。應將天線、PWB等對天線影響大的器件分網格時要密一些，但要確保模型中的天線尺寸和實際尺寸要一致。

3.2 調試天線的曲面敏感區

1）整體模型的網格劃分:1mm*1mm*1mm.天線網格劃:0.3mm*0.2mm*0.2mm.

2）從圖3的天線可以看出：該天線的①②部分的彎曲度比較大，在高壓成型后的變形大一些，因此我們需要評估天線這兩個部分的敏感度。

圖3 手機天線模型

將①部分從邊緣開始每0.4mm減去一次，共5次，每減一次計算其RL特性曲線。對②重復①的操作。在每次變化其中一部分時，天線其他部分應保持不變。對天線進行仿真得到RL特性曲線如圖4所示：

① 部分每次減0.4mm，減5次的RL仿真結果圖

② 部分每次減0.4mm，減5次的RL仿真結果圖

圖4 RL仿真比較圖

從圖4中的兩幅圖中可以看出：①的RL曲線的變化比較大，屬于敏感區，因此在設計時應將①的面積盡量減少，以減少在高壓成型時天線形狀的變形量。綜合天線的設計經驗，將①的位置調試到③位置（平面區域）后，再模擬仿真后，天線的性能基本沒有變化，但是減少了天線敏感區在易拉伸變形區的面積。經過大量的調試和仿真評估，最后得到的天線為如圖5，這樣天線敏感區在曲面上的部分轉移到平面上，很大程度上減少了在印刷沖壓后造成的天線變形，克服了在天線在IML工藝中最大的難題，為以后的批量生產奠定了良好的基礎。

圖5 調試后的最終天線

4 測試和仿真結果

4.1 仿真和測試結果的比較

（1）RL比較

在天線優化設計后，利用DELL490臺式電腦（帶有一個xFDTD加速卡）進行寬帶仿真，耗時58分鐘，得到天線的RL。將上述設計的天線經IML工藝生產后測試和仿真的RL對比如圖6，從圖中可以看到：實測結果和仿真結果基本是一致的，也證明了這種天線設計方案的可行性。

圖6 虛線是測試數據，實線是仿真數據

（2）效率的比較

將該模型的的輸入饋源，采用點頻仿真，并改變相應的頻率，經過約32分鐘的計算便可得到天線的效率，如表1所示。

表1 效率仿真和測試結果對比

（3）SAR比較

SAR(Specific Absorption Rate)，手機行業中主要關注的是天線對人類頭部的影響，SAR值的大小和手機的輻射功率密切相關。在天線設計中，要盡量減少SAR值，使之通過相應的規范。在軟件仿真中，將SAM(頭部)模型導入原來模型中，并調節手機和SAM到合適位置，采用點頻饋源仿真。注意：在仿真不同頻率SAR時，要改變不同頻率下組織液的相對介電常數和導電率，一次計算大約47分鐘后得到如表2的仿真結果。

表2 SAR仿真和測試結果對比

從實驗室的測試數據看，仿真和測試有很好的一致性。

（4）HAC比較

HAC(Hearing Aid Compatibility)。在進入美國的手機中，有一部分手機需要測試HAC并要通過相應的標準。表3 HAC仿真和測試結果對比

4.2 傳統天線設計和仿真技術的比較

從表4可以看出采用軟件仿真可以減少設計成本，縮短產品開發周期，并且可以很好地解決IML技術中的問題。

表4 傳統天線設計和仿真技術的比較

5 結論和體會

本文設計了一款基于IML工藝的雙頻手機天線，由于用IML工藝生產的天線是集成在手機殼里的，難以采用傳統方法調試，因此我們用電磁仿真軟件AMDS設計、調試了天線，根據設計生產出了IML天線樣品并測出了RL曲線，仿真與測試結果有很好的一致性，驗證了我們的設計的。采用這種新技術，新工藝設計天線可以節約大量的成本，縮短研發周期，提高產品的競爭力。