终端散热天线:集成散热功能的极致净空终端天线

文摘   2024-09-11 08:50   山东  


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撰稿|课题组供稿

导读


近日,西安交通大学信息与通信工程学院电磁与信息技术研究所张安学教授、常乐副教授团队提出了具有散热功能和极致净空优势的新型终端天线。相关成果以“Heat-dissipating mobile antenna: a novel mobile antenna concept with extremely small clearance and integrated heat-dissipating function”为题发表于天线与微波领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation。西安交通大学博士生陈美燕为论文的第一作者,西安交通大学常乐副教授为论文的通讯作者。

究背景

移动终端属于科学技术的集大成者,其中电磁辐射和散热是两个重要部分。散热材料需要具备高导热率,而电磁辐射材料需要具备高导电率,两者在材料选择、结构设计上存在冲突,从而导致电磁辐射和散热所占据空间相互制约。尽管电磁-热协同设计近年来得到广泛关注,但是传统散热天线均为大体积的三维翅状周期性金属结构,难以满足移动终端的轻薄、小型化要求。本文提出终端散热天线,实现了具备散热功能的极致净空终端天线,解决了移动终端内部天线空间与散热空间互相制约的问题,提升了整机电磁辐射性能与散热性能。

究亮点


1 a)传统智能手机内贴片天线和散热膜,(b)本文提出的终端散热天线

研究团队基于兼具高导电率和高导热率的新型石墨烯材料来制备终端天线,实现天线与散热“材料共用”和“空间共享”,可同时大幅度拓展天线和散热可用空间。图1(a)展示了传统智能手机后盖方向上的器件分布,传统石墨烯散热膜占据后盖大部分空间,但由于其较低的导电率,天线必须对其避让,因此后盖方向上留给天线的空间非常有限。本文提出的终端散热天线概念如图1(b)所示,具有高导电率和高导热率的新型石墨烯薄膜同时作为电磁辐射材料与散热材料,大幅度拓展了天线和散热的可用空间,从而提升了整机电磁辐射性能与散热性能。


2 a)终端散热天线结构,(b)后盖内表面新型石墨烯薄膜示意图


3 天线实物图

图2展示了终端散热天线的最终结构,边框上分布着四个工作于2.5 GHz与3.5 GHz的单极子,其净空仅为0.2 mm;后盖内表面贴附由新型石墨烯薄膜构成的辐射型超表面,该新型石墨烯薄膜由武汉理工大学何大平教授团队研发,其厚度为20 μm、导电率为1.1×106 S/m、导热率为1300 W/(m·K);后盖石墨烯薄膜与主板之间的空气层高度同样仅为0.2 mm。图3为实物图。


4 天线电磁辐射结果

边框单极子可有效激励辐射型超表面,从而增强辐射性能,图4为天线电磁辐射结果,实测结果表明:在0.2 mm的净空下,2.5/3.5 GHz单极子阻抗带宽达280/540 MHz、带内平均效率为-3.6/-2.6 dB。

团队实验验证了该终端散热天线对主芯片与摄像头模组的散热效果,图5为热实验测试平台,采用了两种测试方法,图6为热测试结果,两种测试结果均与热仿真结果吻合较好:相比传统散热方案,主芯片和摄像头模组作为热源时的最高温度分别降低了3.5/2.5 ℃和3.1/5.0 ℃。



5 热实物图与热测试方法



6 传统散热和本文散热结构及热仿测结果

总结与展望

该研究从多物理角度出发,以新材料作为桥梁连接终端两个不同领域,同时提升了电磁辐射性能与整机散热能力。


本工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

文章链接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/10636055


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