相较于有线通信与有线能量传输,无线通信与无线能量传输摆脱了线缆的束缚,具有用户友好性的特点,有助于环境保护。与远场通信和远场无线充电相比,近场通信和近场无线充电具有便捷性和安全性的特点。为实现近场通信,需要使用磁耦合天线;为实现无线充电,可使用磁耦合和电耦合天线。由于具有上述优势和特点,近场通信和无线充电被广泛应用于消费电子产品、医疗器械、交通运输、智能家居和矿井等,成为了移动终端中的必备功能。近年来随着移动终端的迅速发展和普及,如何在移动终端上实现近场通信和无线充电成为了亟需解决的问题。然而移动终端中近场电磁耦合天线的工作环境复杂,大面积金属覆盖会阻碍电磁耦合,产生涡流损耗,降低传输效率。因此,在复杂金属环境下,研究如何降低损耗,增加耦合,提升近场电磁耦合天线的传输效率具有重大价值;另一方面,移动终端具有小型化、紧凑化的特点,而近场天线占据了整个近场通信和无线充电系统中的大部分面积,因此对近场电磁耦合天线的小型化研究具有重要意义。本文针对上述要点,结合移动终端的实际应用需求,对无线近场磁耦合天线和电耦合天线进行了一系列的研究。主要研究内容包括:(1)针对加载金属后盖条件下移动终端近场通信天线性能差的设计难题,提出了近场调控、8字型双环绕结构等NFC天线以及Boost NFC设计方法。基于非均匀绕线和8字型天线的结构设计与铁氧体局部加载,使得天线产生的磁场集中于净空区,削弱了金属后盖特定位置处的反向涡流,实现了后盖缝隙空间处的磁场强度最大化。为了进一步提高NFC天线的耦合性能,在金属外壳上串联电容并调整终端金属外壳与NFC天线的谐振方式,使得金属后盖上的最高幅值感应涡流方向与NFC天线电流方向相同,消除了金属后盖的屏蔽效果,提升了磁场耦合。基于上述方法设计的NFC天线,测试的识别距离最大为50 mm,通过了NFC Forum或EMVco的认证。(2)针对移动终端中存在金属屏蔽物导致无线充电传输效率差的问题,提出了三线圈中继增强式磁耦合无线充电天线。通过在金属后盖上串联电容,将金属后盖由屏蔽物转变为单匝中继线圈,进而调整了收发线圈间的耦合谐振方式,实现了最大效率传输并提升了无线充电安全性。实验表明,基于该方法设计的无线充电天线传输效率由传统方案的39.4%提升至71%。另外通过引入竖缝并将金属边框与接收天线线圈连接起来,可以使得两者的电流同向,实现了发射线圈与接收线圈间的磁场耦合增强。耦合系数由0.05提升至0.46,测试的传输效率达到87.4%。(3)为实现二维平面的自由移动无线充电,提出了具有重复单元的电耦合式天线阵。通过接收极板的双层非均匀结构设计,实现了自由移动时接收极板与发射极板间的映射面积的一致性。实验表明,当接收端在发射极板平面内自由移动时,在1 MHz的工作频率,所有的测试传输效率在52%～56%。(4)针对具有金属后盖的小型化移动终端,提出了NFC-CPT一体化天线,NFC天线与电耦合天线相互促进。基于电耦合天线极板上的十字型缝结构设计,削弱了NFC天线在金属后盖上的反向感应涡流,从而降低损耗,提升近场通信性能。通过SN拓扑结构,降低了金属后盖上的电压,消除了接收端补偿元件。为进一步减小天线体积,将NFC天线与金属后盖相连,使得NFC天线成为无线充电天线的一部分,构成了与NFC相连的电磁耦合一体化天线(NFC-ICPT),利用电场和磁场同时进行无线能量传输。通过终端内现有结构,既实现了近场通信,也实现了近场无线能量传输。实验表明:单独的NFC-ICPT天线实现了89.3%的传输效率,金属后盖缝两端的电压为7.08 V,符合安全标准,磁场和电场的功率传输比为2.5。