手機(jī)天線設(shè)計(jì)講義1

1、手機(jī)天線設(shè)計(jì) 調(diào)查 看過Antenna設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的請(qǐng)舉手。天線基本概念 Return Loss（回波損耗S11）天線原理 Directionality（方向性系數(shù)）天線輻射方向性參數(shù)。天線據(jù)此可分全向（omni-directional）和定向（directional）。 Gain（增益）天線增益定義為規(guī)定方向的天線輻射強(qiáng)度和參考天線之比。 Efficiency（效率）GainDirectionality EfficiencyEfficiencyOutput Power/Input Power天線原理 Polarization（極化）天線遠(yuǎn)場(chǎng)處電矢量軌跡。分線極化、圓極化、橢圓極化。一般手機(jī)外置（

2、stubby）天線在H面接近線極化，PIFA和Monopole極化復(fù)雜?；救肷洳榫€極化，方向與地面垂直。XY平面為H面，YZ面E1面，XZ面E2面?；綳YZ天線原理 一個(gè)理論上的各向同性（Isotropic）天線有全立體角相等的方向分布。 該天線可作為其它天線的參照。側(cè)視(垂直方向圖)頂視(平面方向圖)天線原理偶極天線 偶極天線方向圖側(cè)視看來Isotropic方向圖垂直方向受到“擠壓”，水平方向則擴(kuò)大了覆蓋范圍。 增益越高，垂直方向波束越窄，水平方向覆蓋面積越大。側(cè)視(垂直方向圖)頂視(水平方向圖)dipole (with Gain)垂直波束全向和定向 右上圖為一高增益全向天線。垂直方向

3、波束窄，陰影為天線不能覆蓋范圍。水平方向則覆蓋面積很大。 右下圖顯示方向圖被“擠壓”向一個(gè)方向，輻射能量在一定角度分布較大。而背面能量分布少。Area of poor coverage directly under the antennaBeamwidthSide View(Vertical Pattern)Top View(Horizontal Pattern)EIRP EIRP（ Effective Isotropic Radiated Power ） EIRP = transmitter power + antenna gain cable lossPower SettingdBm100

4、 mW20 dBm50 mW17 dBm30 mW15 dBmGain 6 dBi PatchEIRP6 dBi26 dBm6 dBi23 dBm6 dBi21 dBm20 mW13 dBm15 mW12 dBm5 mW7 dBm1 mW0 dBm6 dBi19 dBm6 dBi18 dBm6 dBi13 dBm6 dBi6 dBm關(guān)于SAR SAR：Specific Absorption Rate（特定吸收率），SAR的計(jì)量方法是：每Kg的物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)接受的電磁能量，SAR的計(jì)量單位是：W/Kg。我國對(duì)SAR采用的標(biāo)準(zhǔn)是從手持無線通訊設(shè)備到使用者的輻射限制在1W/Kg以內(nèi)；國際無電離輻射

5、保護(hù)協(xié)會(huì)(ICNIRP)的限制標(biāo)準(zhǔn)是2W/Kg；美國的限制標(biāo)準(zhǔn)是1.6W/Kg手機(jī)天線分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)方式分為內(nèi)置和外置外置天線分類 螺紋連接 螺釘連接 卡扣連接內(nèi)置天線分類 假內(nèi)置 PIFA（Planar Inverted F Antenna） Internal Planar Monopole內(nèi)置平面單極天線 Internal Helix（內(nèi)置螺旋天線） Furukawa（古河） Chipset天線 BT&WIFI 尺寸：尺寸：13mmX直徑6.0 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：1）一般放置在主板Top端，在徑向方向直徑8mm的空間內(nèi)不允許存有器件； 2）天線端部同LCD金屬支架距離應(yīng)大于0.8mm。避

6、免外觀有大面積的金屬效果、IMD的金屬效果，Yodel IML導(dǎo)致效率特別低； 3）天線彈片的臂盡可能的長(zhǎng)，防止塑性變形導(dǎo)致接觸不良； 4）本身自帶支架，通過螺釘將其固定與殼體上，同時(shí)本體部分需要筋來支撐； 5）Z向盡可能靠近后殼，一般本體部分高于PCB。I：假內(nèi)置假內(nèi)置：天線彈片設(shè)計(jì)Yoyo兩種天線彈片設(shè)計(jì)的對(duì)比：幾乎沒有彈力臂有有限的彈力臂假內(nèi)置的應(yīng)用范圍 由于其體積小，特別適用于追求外觀小巧并且對(duì)天線效率要求不高的手機(jī) GSM最好時(shí)30%，DCS最好為20%-25%II： PIFA天線（直板機(jī)）（一） 典型PIFA形式,GSM/DCS(/PCS) 位于手機(jī)頂部 面向Z軸正向，與電池同側(cè)（

7、Bottom面）。PIFA天線（直板機(jī)）（二）L=3540w=1525H=68Feed pinshort pinGroundAntennaPIFA天線（直板機(jī)）（三） PIFA最重要的三個(gè)參數(shù)W，L，H，其中H和天線諧振頻率的帶寬密切相關(guān)。W、L決定天線最低頻率。 手機(jī)PCB的尺寸對(duì)PIFA有很大影響 Shielding Case對(duì)天線的影響 手機(jī)電池對(duì)PIFA影響強(qiáng)烈。電池內(nèi)有PCB（接地金屬面）和電池芯（有耗導(dǎo)電體）。PIFA需要的空間和其它條件 PIFAPIFA需要的空間大小視乎頻段和射頻性能的需要的空間大小視乎頻段和射頻性能的需求。需求。雙頻（GSM/DCS）：600 78mm三頻（G

8、SM/DCS/PCS）：700 78mm滿足以上需求則GSM頻段一般可能達(dá)10dBi，DCS/PCS則01dBi。 天線正下方一般避免安放器件，尤其是天線正下方一般避免安放器件，尤其是SpeakerSpeaker和和VibratorVibrator（如果需要，要供應(yīng)商評(píng)估）（如果需要，要供應(yīng)商評(píng)估） 電池盡量遠(yuǎn)離天線，電池盡量遠(yuǎn)離天線，MotorMotor等，等， 一般至少一般至少5mm5mm以上。以上。 天線同側(cè)后蓋上不用導(dǎo)電漆噴涂，謹(jǐn)慎使用電鍍裝飾。天線同側(cè)后蓋上不用導(dǎo)電漆噴涂，謹(jǐn)慎使用電鍍裝飾。2mm2mmPIFA天線饋點(diǎn)和接地的擺放（紅色為饋點(diǎn)，藍(lán)色為接地）饋點(diǎn)選在靠近中間的PAD，接

9、地點(diǎn)為邊沿PAD PIFA天線 PIFA天線材料：FPC、銅和不銹鋼，也有采用導(dǎo)體材料雙料注塑 接觸點(diǎn)：一般采用Pogopin，比彈片接觸可靠PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（一） 翻蓋手機(jī)合蓋狀態(tài)，天線表現(xiàn)與直板機(jī)無異。 開蓋狀態(tài)，上下蓋PCB都為地，天線由在地頂端變?yōu)樘幱诘刂醒搿IFA天線（翻蓋或滑蓋）（二） 翻蓋手機(jī)，LCD部分和鍵盤部分都有PCB，通過FPC連接。有4個(gè)區(qū)域可以放置內(nèi)置天線。下表列出了每種方式的優(yōu)缺點(diǎn)：“手的影響”是指用戶的手的握持將會(huì)引起共振頻率的偏移，發(fā)射和接受也會(huì)變的不穩(wěn)定?！邦^的影響”包括共振頻率的偏移以及SAR的增加。線的長(zhǎng)度對(duì)于天線與PCB之間的信號(hào)傳輸?shù)膿p耗有

10、影響。線的長(zhǎng)度較長(zhǎng)的時(shí)候，信號(hào)的功率就變低。上表顯示，天線的最佳位置是“鍵盤部分的頂端”。 PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（三） 右二圖為合、開兩種狀態(tài)下天線S11參數(shù)的Smith圓圖。右上圖為合蓋，右下為開蓋。 由右圖可見兩種狀態(tài)下天線工作狀態(tài)發(fā)生較大變化。通常低頻諧振降低。PIFA天線 通常，天線帶寬和增益有如下關(guān)系： G （增益）B（帶寬）正比V （體積） 從這個(gè)表達(dá)式我們可以看出，我們應(yīng)該增加天線的體積來擴(kuò)寬天線的帶寬同時(shí)又不降低天線的增益。輻射器的區(qū)域以及天線的厚度限定了天線的體積。 PIFA天線增加帶寬的方法天線高度8mm時(shí)才能達(dá)到3頻天線的要求，但手機(jī)要求厚度越來越小，給出8mm的厚

11、度空間給天線是不合適的。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)縮短PCB的Ground plane大于10mm時(shí)，35mm*12mm*5mm的天線可以達(dá)到規(guī)格化帶寬25%，獲得很好的天線性能。（前提條件是PCB的長(zhǎng)度應(yīng)該大于80mm） PIFA天線 以上二圖分別為直板（左）、翻蓋（右）1GHz時(shí)的增益方向圖。 由于翻蓋打開，增益比直板狀態(tài)增大了。直板狀態(tài)全向性好，翻蓋狀態(tài)則背向增益變小。PIFA的局限 PIFA脫胎于帶短路微帶天線，有帶寬窄的先天缺點(diǎn)。 PIFA增益偏低。 結(jié)構(gòu)單調(diào)，不易與當(dāng)今靈活多變的手機(jī)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。 面對(duì)3G和多模手機(jī)的要求，一個(gè)手機(jī)的天線（組）必須同時(shí)面對(duì)900（800）MHz、1700MHz22

12、00MHz如此寬廣電磁波譜的要求。PIFA顯得力不從心。III：Monopole天線 內(nèi)置平面Monopole出現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)意義： 多模手機(jī)對(duì)多頻段天線的要求 Monopole的大帶寬和高增益，足以應(yīng)付3G時(shí)代跨越2GHz的幾百兆帶寬需求。 內(nèi)置平面Monopole結(jié)構(gòu)靈活，易于與當(dāng)今多變的手機(jī)結(jié)構(gòu)相配合天線低頻部分天線低頻部分天線高頻部分天線高頻部分PCBFeed Strip塑膠支架塑膠支架38X6X4從右圖可見 該種monopole保持了低頻（1GHz）工作頻帶。 高頻則可有著與中心頻率比值20%以上、寬達(dá)幾百兆工作帶寬。右圖為該天線模型在1.8GHz頻率下的增益方向圖。 最大增益4dBi。

13、全向性可控制Monopole 設(shè)計(jì)要求 Monopole可以比同樣工作頻率的PIFA小。 Monopole必須懸空，平面結(jié)構(gòu)下不能有PCB的Ground，至少5mm的凈空區(qū) Monopole只需要一個(gè)Feed Point和PCB上的Pad相連。 電鍍件對(duì)天線的RF性能有很大的影響 距離電芯6-8mm以上，三頻8-10mm以上； 一般要求長(zhǎng)寬分別在32mm和7mm以上，同時(shí)距離最近的金屬物體（包括speaker）6mm以上；PIFA和Moropole連接方式Stamping （金屬）Stamping熱熔到Housing內(nèi)側(cè)，Stamping伸出spring與手機(jī)PCB連接Stamping + S

14、upport （金屬）Stamping熱熔到Support上，連接用springStamping + Support + Pogo pin (正、反正、反) （金屬）Stamping熱熔到Support上，連接用Pogo Pin。正向使用Pogo Pin一般適合于帶support的結(jié)構(gòu)，反向使用都可以。天線天線Pogo PinPCB天線天線Pogo PinPCB正向使用正向使用Pogo Pin的的反向使用反向使用Pogo Pin的的 FPC FPC + Support + FPC連接器 FPC + Support + Pogo pin (正、反) Housing表面電鍍IV：內(nèi)置Helix類似

15、外置Helix內(nèi)藏于手機(jī)殼內(nèi) 金屬線Helix嵌入塑料內(nèi)模，軸線平行于PCB平面，豎直裝載于PCB頂端。 金屬線Helix嵌入塑料內(nèi)模，軸線平行于PCB平面，平行裝載于PCB頂端。以上實(shí)際RF效果均不夠理想。一般輻射效率在20%。優(yōu)點(diǎn)在于可以利用以往的外置天線手機(jī)主板設(shè)計(jì)，稍加修改快速設(shè)計(jì)出一款內(nèi)置天線手機(jī)。V：Furukawa 尺寸：28.5X5.8X3.5（寬） 一般放置在主板的Top端，靠近側(cè)面的效果會(huì)更好。 徑向從邊算起直徑6mm空間內(nèi)不要擺放元件 古河天線的下方PCB不允許過線 供應(yīng)商要求的三角區(qū)域不準(zhǔn)擺放器件 CDMA不能用 直接SMT到PCB上，為防止跌落時(shí)受沖擊脫落，可以通過點(diǎn)

16、膠或者頂部用泡棉壓的方式進(jìn)行保護(hù)。注意要用白色的泡棉。Furukawa設(shè)計(jì)要求（一）Furukawa設(shè)計(jì)要求（二）Furukawa設(shè)計(jì)要求（三）Furukawa設(shè)計(jì)要求（四）Furukawa設(shè)計(jì)要求（五） A) 到天線到天線2mm以內(nèi)的以內(nèi)的GND為為2層構(gòu)造。層構(gòu)造。 B) 請(qǐng)將匹配電路接口設(shè)置為請(qǐng)將匹配電路接口設(shè)置為5個(gè)（尺寸為個(gè)（尺寸為1005）。）。 C) 天線的正下方不要放置電線。天線的正下方不要放置電線。 D) 圖中圖中a和和b兩個(gè)地方應(yīng)連接在一起。兩個(gè)地方應(yīng)連接在一起。 （寬度應(yīng)超過寬度應(yīng)超過0.5mm） E) 距離天線距離天線3mm以內(nèi)的零件必須與以內(nèi)的零件必須與GND連接連接

17、 （零件高度在（零件高度在2mm以內(nèi)）。以內(nèi)）。 F) 高度在高度在2mm以上的零件，即使可以接地，以上的零件，即使可以接地， 也要距離天線也要距離天線3mm以上。以上。 G) 不能接地的部件最好距離天線不能接地的部件最好距離天線6mm以上以上 （建議攝像頭在（建議攝像頭在6mm以外）。以外）。 H) 應(yīng)剪掉應(yīng)剪掉GND的一角，大小為的一角，大小為C2.5。 I) FPC等放在給電一側(cè)。等放在給電一側(cè)。 VI：Chipset天線 體積小，布局有利 直接SMT到PCB上，結(jié)構(gòu)上不需要其它的固定方式 Chipset天線的設(shè)計(jì)（一）Chipset天線的設(shè)計(jì)（二） A） 距離天線的器件要有9mm以上，包括正面和反面的元器件。 B） 天線頂面的金屬件要距離7mm以上。 C） 距離天線背面的元?dú)饧xPCB 5mm以上。 D） FPC穿過的地方要遠(yuǎn)離天線至少5mm，而且要遠(yuǎn)離饋點(diǎn)一端。 E） 如果天線背面有camera，將會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生較大影響。 F） PCB的長(zhǎng)度最好在80mm以上。 Chipset天線的設(shè)計(jì)（三）Chipset天線的設(shè)計(jì)（四）VII：BT&Wifi BlueTooth WIFI(VOIP,通過WLAN無線局域網(wǎng)發(fā)射） 實(shí)際上他們都屬于Chipset antenna.BT&Wifi WIFI VoIP（