移動(dòng)電話的微型天線設(shè)計(jì)

1、移動(dòng)電話的微型天線設(shè)計(jì) （林宗輝DigiT） 2007-2-5   前言：以移動(dòng)通信來說，手機(jī)的高頻通信架構(gòu)由單頻、雙頻而至三頻，甚至四頻（加入了Wi-Fi），并且由外露的方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)藏的設(shè)計(jì)，而在環(huán)保團(tuán)體的監(jiān)督之下，低輻射的設(shè)計(jì)也逐漸被重視。而由于手機(jī)的功能逐漸增加，從單純通話使用，已經(jīng)轉(zhuǎn)為影音娛樂取向，甚至是時(shí)尚品味取向，在造型設(shè)計(jì)上也屢屢別出心裁。圖說：傳統(tǒng)的外露式天線設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸少見。（資料來源：）圖說：手機(jī)已經(jīng)全面走向內(nèi)嵌式天線設(shè)計(jì)。（資料來源：Motorola）不過由于通信的需求，信號(hào)強(qiáng)度必須維持在一定的水平之上，但是在手機(jī)外型大幅改變，以及天線改為隱藏式的趨勢

2、之下，天線的設(shè)計(jì)勢必也要跟著變動(dòng)，才能提供可接受的信號(hào)水平，并且還要兼顧高效能、低輻射、小尺寸以及好搭配這幾個(gè)特性，方能成為成功的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，目前需要天線的移動(dòng)裝置已經(jīng)不只有手機(jī)一種了，包含移動(dòng)電視、GPS等等，都需要借助成功的天線設(shè)計(jì)，來達(dá)到最佳的效能，而目前整合式的產(chǎn)品也越來越多，為了兼顧功能性與體積，具備更小體積的天線設(shè)計(jì)，也是天線設(shè)計(jì)者所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。根據(jù)預(yù)測，到2008年，一般手機(jī)將可內(nèi)建3、4個(gè)天線，借以符合包含手機(jī)通信、Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS甚至數(shù)碼電視信號(hào)的接收與發(fā)射，而未來不同規(guī)范的無線標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)越來越多，少數(shù)低功率無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)也有可能進(jìn)駐手機(jī)，加上更多不同的應(yīng)用需求，

3、天線與天線之間的搭配組合，并進(jìn)而避免天線之間互相的干擾，甚至不同應(yīng)用的天線的整合，都將會(huì)是未來的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。設(shè)計(jì)天線時(shí)的考量參數(shù)圖說：一般手機(jī)的PCB元件布線。（資料來源：wppltd.demon.co.uk）一般在設(shè)計(jì)天線時(shí)，首先考量的便是等效全向輻射功率（EIRP）、阻抗帶寬、輻射效率以及增益值等等。針對(duì)產(chǎn)品需求的特性，并且對(duì)尺寸、效率以及彈回耗損比值、輻射場型，分別達(dá)到配合主體產(chǎn)品的可造型化、省電性，并且有效提升傳輸速度以及傳輸效率。以臺(tái)灣市場主流的WLAN天線為例，WLAN是一種具備了使用窄頻收發(fā)天線、具備高速傳輸以及高增益天線等特性，具備WLAN功能的移動(dòng)裝置也已經(jīng)有逐漸增加的趨勢，除

4、了智能型手機(jī)、PDA以外，連MP3隨身聽也都趕來差上一腳（微軟的ZUNE隨身聽就具備了WLAN功能）。一般我們可以在產(chǎn)品上看到的WLAN天線可分為以下數(shù)種：偶極天線、芯片天線、PCB微帶天線等。在實(shí)際設(shè)計(jì)上，WLAN的天線通常都會(huì)以最基本的鎮(zhèn)列形式呈現(xiàn)，借以增加所處空間的信號(hào)收發(fā)效率。全頻化WLAN的室外AP指向天線必須要同時(shí)具備高效能、長距離、全方向、全頻段收發(fā)的特點(diǎn)，而室內(nèi)AP指向天線則是注重多頻段的兼容性、尺寸、以及隱藏式外在設(shè)計(jì)，并且要盡量避免與其它無線產(chǎn)品的電磁波產(chǎn)生互相干擾的狀況。而未來通信方式將更為緊密、全方位的方向發(fā)展，一般固網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、無線通信等都將進(jìn)一步整合，甚至互通，因

5、此多頻多模手機(jī)或其它手持裝置就必須要具備更寬闊的頻段。極小化圖說：3G手機(jī)的天線模塊。（資料來源：Antenova）由于手持裝置的功能越趨復(fù)雜，尺寸卻反而要不斷縮小，由于芯片工藝的進(jìn)展有其限制，在矽芯片微縮已趨極限的狀況之下，便只能要求天線機(jī)構(gòu)的更進(jìn)一步縮小，以利整體造型的小型化發(fā)展。在這方面可以有幾個(gè)解決方案：1.微帶天線可以采用PCB工藝來生產(chǎn)，因此可以和系統(tǒng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行更進(jìn)一步的 整合，且同時(shí)能夠解決阻抗匹配的問題。2.平面印刷電天線則是具備了體積小、厚度薄、重量輕以及低成本的優(yōu)點(diǎn)，在安裝上也較其它天線架構(gòu)簡易許多，除了應(yīng)用層面廣以外，也可以輕易的配合不同外在構(gòu)型而來改變布線的形狀。3.芯片

6、天線由于此種架構(gòu)的天線是利用多層陶瓷技術(shù)所發(fā)展，因此適合高頻通信，而進(jìn)一步量產(chǎn)之后，也能有效的降低成本。整合射頻前端模塊單芯片天線這種天線架構(gòu)是利用標(biāo)準(zhǔn)封裝工藝制造，具備了高整合性、隔離性佳，并且在散熱與輻射方面也有不錯(cuò)的表現(xiàn)，此種技術(shù)被普遍的應(yīng)用在Wi-Fi、WiMAX、GPS、GPRS等等產(chǎn)品之中。由于追求極小化是天線產(chǎn)業(yè)的共同目標(biāo)，業(yè)界甚至以革命來形容這樣的發(fā)展態(tài)勢，過去外露的桿狀天線、碟狀天線在移動(dòng)裝置上已不復(fù)存在。智能化由于通信基地臺(tái)的傳統(tǒng)天線有固定的響應(yīng)頻率以及信號(hào)涵蓋范圍，由于頻道相當(dāng)擁擠，且環(huán)境、地貌、建筑物等的不同，都會(huì)造成信號(hào)的多重路徑衰弱，這會(huì)引起通信質(zhì)量低落，導(dǎo)致系統(tǒng)的

7、效率不佳。智能型天線的概念源于適應(yīng)性天線陣列以提升空間資源的運(yùn)用來達(dá)到提升信號(hào)干擾比的目的，并且同時(shí)也具備了消除干擾、自動(dòng)波束調(diào)整等機(jī)制，從而達(dá)到提升頻道效率、加大系統(tǒng)容量，并且有效的拉抬通信質(zhì)量。手機(jī)天線的設(shè)計(jì)趨勢與技術(shù)隨著手機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從功能面轉(zhuǎn)向造型與時(shí)尚風(fēng)之后，整合于手機(jī)內(nèi)部的隱藏式天線已經(jīng)成為實(shí)際上的天線架構(gòu)主流，而即使為了要求手機(jī)的造型目的，而必須讓天線藏身于機(jī)殼內(nèi)部，屈就于狹小的PCB上，而不能往外伸張，但是天線的目的依舊不變，為手機(jī)提供最清晰的無線通信信號(hào)、GPS信號(hào)或電視信號(hào)（視乎整合的功能），隱藏式天線在天線主類的選擇，以及相關(guān)布線的技術(shù)，與天線本身所能發(fā)揮出來的信號(hào)清晰

8、度息息相關(guān)。天線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)在關(guān)連射頻的布線時(shí)，在轉(zhuǎn)彎處需應(yīng)用45度角走線，或者是進(jìn)行圓弧處理，合理設(shè)計(jì)是非常重要的關(guān)鍵。為了保證射頻信號(hào)走線時(shí)，信號(hào)回流的路徑可以達(dá)到最短，PCB與接地端的邊緣必須做好絕緣動(dòng)作。而從射頻模塊中拉出的天線連接帶線，就不能布在PCB的正中央，以避免因走線阻抗難以控制而導(dǎo)致信號(hào)耗損的狀況，而在金屬屏壁交叉處必須做開槽回避設(shè)計(jì)，以防止走線與之短路。射頻模塊附近盡量避免安置零散的非屏壁零件，而金屬屏壁也要盡量避免多開無謂的散熱孔，以免影響屏壁效果。而包含金屬結(jié)構(gòu)的元件，包含揚(yáng)聲器、馬達(dá)、攝影元件等的金屬部分都盡量要進(jìn)行接地。而某些手機(jī)在達(dá)到良好的傳導(dǎo)接收敏感度之后，卻會(huì)

9、發(fā)生整體接收靈敏度差的狀況，這可能是肇因于PIF天線的設(shè)計(jì)問題。發(fā)生信號(hào)雜散的狀況則是天線的空間信號(hào)發(fā)設(shè)備PCB的金屬元件吸收并產(chǎn)生二次輻射所致，所以非射頻含金屬元件都必須做好接地工作。此外，信號(hào)散射問題也可能與射頻模塊的諧振匹配電路有關(guān)，此類匹配電路若穩(wěn)定性不佳，就很容易產(chǎn)生高頻諧波的干擾。圖說：錯(cuò)誤與正確的天線設(shè)計(jì)方式。（資料來源：Galtronics）此外，在進(jìn)行天線性能的測試時(shí)，天線的反射指標(biāo)（VSWR，return loss）在設(shè)計(jì)過程中一般只是作為參考。關(guān)鍵參數(shù)是傳輸性參數(shù)（如效率，增益等）。一味強(qiáng)調(diào) return loss，其實(shí)沒有意義，而SWR也只是參考值，無法完全說明天線效率

10、的高低，當(dāng)SWR表現(xiàn)好，且輻射效率高時(shí)，天線也才會(huì)具備高效率的表現(xiàn)。內(nèi)嵌天線架構(gòu)的分類PIFA（Planner Inverted F Antenna）天線輻射體面積約550600mm²，與PCB板平面的相對(duì)高度約67mm。天線與PCB有兩個(gè)饋電點(diǎn)，一個(gè)是天線模塊輸出，另一個(gè)是射頻接地。天線的位置通常在手機(jī)頂部。PIFA天線如按要求設(shè)計(jì)環(huán)境結(jié)構(gòu)，則將可具備相當(dāng)優(yōu)秀的電氣性能、SAR值表現(xiàn)，一般來說，是內(nèi)嵌天線最普遍的方案之一。PIFA天線分為支架式與貼附式兩種，支架式主要是由塑料支架與金屬導(dǎo)體所組成，塑料通常是用ABS或PC材質(zhì)，而金屬方面則為鈹銅、磷銅或不銹鋼片。而貼片式則是直接將金

11、屬導(dǎo)體貼附于手機(jī)背殼上，并采用熱熔結(jié)構(gòu)或背膠方式固定，不過貼附式由于較不穩(wěn)定，因此較少被使用。PIFA天線常被應(yīng)用在具備相當(dāng)厚度的手機(jī)產(chǎn)品之中，超薄訴求的手機(jī)可能就改采其它天線架構(gòu)。單極（monopole）天線輻射體面積300350mm²，與PCB板平面的相對(duì)高度約34mm，天線輻射體與PCB的相對(duì)距離應(yīng)大于2mm以上。天線與主板只有一個(gè)饋電點(diǎn)，是模塊輸出之用。天線的位置在手機(jī)頂部或底部。由于單極天線極為敏感，所以在天線投射區(qū)域內(nèi)不可安排任何含較大金屬結(jié)構(gòu)的元件，比如說照相模塊、揚(yáng)聲器或者是麥克風(fēng)等。單極天線同樣具有支架式與貼附式這兩種。而少數(shù)具備特殊架構(gòu)的天線設(shè)計(jì)，比如說Motor

12、ola的V3等超薄系列，都是以金屬絲成型在頂部立面上，此種設(shè)計(jì)難度較高，但是可以將手機(jī)的厚度有效的降低。隱藏式天線增加了天線設(shè)計(jì)難度由于天線通常都是由金屬彎曲而來的結(jié)構(gòu)，具備了把電壓和電流轉(zhuǎn)換成電場與磁場的轉(zhuǎn)換器，雖然接收器、發(fā)射器，不同的協(xié)議與技術(shù)都發(fā)展到目前的極致，但要是缺乏了天線這種具備簡單結(jié)構(gòu)的功能體存在，那么不論前端元件有多先進(jìn)，照樣無法達(dá)到產(chǎn)品所需要的功能。雖然過去天線的設(shè)計(jì)一度被工程師認(rèn)為是簡單而無足輕重的結(jié)構(gòu)，但事實(shí)上，想要設(shè)計(jì)好一款足以擔(dān)當(dāng)通信大任的天線，并不是一件那么簡單的一件事。舉例來說，家中的電話主機(jī)已經(jīng)從過去有線電話轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳爸髁鞯臒o線，手機(jī)也從以往的外露天線，轉(zhuǎn)而成

13、為目前的隱藏式天線，即使看的見，也僅止于機(jī)體外小小的突出，不過天線所扮演的角色依舊舉足輕重。對(duì)于運(yùn)作于高UHF與低微波區(qū)的移動(dòng)電話，天線通常只有幾公分的長度，雖然如此，要將這段天線安裝進(jìn)產(chǎn)品外殼內(nèi)部，依舊不是一件簡單的事，前面也有提到，有些天線設(shè)計(jì)是與電路板結(jié)合，成為印刷電路的一部分，不過為了信號(hào)的強(qiáng)度，主流設(shè)計(jì)仍以分離式架構(gòu)為多。這種分離式架構(gòu)的天線具有相當(dāng)優(yōu)秀的性能表現(xiàn)，但是其信號(hào)強(qiáng)度容易受到周圍物體負(fù)載的影響。接近天線的元件（如相機(jī)模塊等）都有可能與天線回路結(jié)合，并且吸收了一部分原本由天線本體所發(fā)射出去的能量，從而導(dǎo)致天線效率的降低。電磁波強(qiáng)度與信號(hào)兩者的平衡點(diǎn)而另一個(gè)問題，就是由來已久

14、的電磁波問題，由于人體也是電磁波的良好導(dǎo)體，當(dāng)手握著手機(jī)并放在耳邊講話時(shí)，電破信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換成能量進(jìn)入人體，這不僅會(huì)造成天線失諧，而且信號(hào)效率也會(huì)跟著降低，而雖然目前醫(yī)學(xué)報(bào)告還未有手機(jī)電磁波影響人體的明確報(bào)告，但是以一般常識(shí)來說，人體吸收了過量的電磁波，絕對(duì)是有百害而無一益的。在這邊，我們一般將人體吸收的電磁波值稱為SAR值，吸收過量的電磁波亦即為SAR值過大。人體吸收了電磁波之后，將會(huì)使得手持裝置的天線接收與發(fā)射強(qiáng)度雙雙降低，這會(huì)造成收信范圍降低，以及更高的干擾，某些手機(jī)會(huì)利用提高發(fā)射功率來以補(bǔ)強(qiáng)損耗的信號(hào)強(qiáng)度，但是提高發(fā)射功率，同時(shí)也意味著電池壽命的降低，SAR值也會(huì)跟著升高。為了解決這樣的缺

15、點(diǎn)，也有制造商研發(fā)出隔離型偶磁極（Isolated Magnetic Dipole）架構(gòu)的天線，這種設(shè)計(jì)可以把電流的流動(dòng)局限于天線內(nèi)部，進(jìn)而避免與天線附近的元件產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象，進(jìn)而提高手機(jī)的天線效率。主流的兩種內(nèi)嵌天線設(shè)計(jì)方式，包含PIFA或單極天線這兩種，在電磁波方面的表現(xiàn)也有程度不等的差別，一般來說采用PIFA天線設(shè)計(jì)的手機(jī)在電磁波方面有較佳的表現(xiàn)，也就是說被人體所吸收的電磁波較少，SAR值較低。圖說：高增益與低增益天線的差別。（資料來源：）手機(jī)天線設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)天線設(shè)計(jì)的成本問題為了日趨增加的功能需求，以及日益縮小的機(jī)構(gòu)外型，加上必要的信號(hào)強(qiáng)度，以及最受關(guān)心的電磁波危害問題，天線的設(shè)計(jì)也

16、越趨復(fù)雜化，但是市場的需求就是盡可能的降低成本，包括材料、生產(chǎn)裝配以及設(shè)計(jì)階段這幾個(gè)環(huán)節(jié)都必須要兼顧。由于天線的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)并不是一次性的成本，因此設(shè)計(jì)者必須不斷的尋求更低成本的材料，以及能夠應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的通用設(shè)計(jì)，并且要盡量降低生產(chǎn)所需要的成本。天線大小與主體產(chǎn)品體積問題手機(jī)早已超脫一般通話的功能，目前市面上的手機(jī)早已內(nèi)建照相、MP3、無線網(wǎng)絡(luò)、GPS、移動(dòng)電視等不同工能，如何在整合了如此龐大的功能之后，依然保有良好的總體信號(hào)質(zhì)量，并且同時(shí)將產(chǎn)品體積大小縮到極限，這幾個(gè)要求可以說是接近于不可能的任務(wù)。雖然天線的設(shè)計(jì)趨勢是越來越小，但是天線本身的大小仍存在其物理極限，如果天線的體積在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之

17、下，隨著體積的逐漸縮小，其接收效果也會(huì)同樣越趨弱化。舉例來說，對(duì)于剛好可以負(fù)擔(dān)起1500MHz以上的波段收發(fā)信號(hào)的隱藏式天線來說，但處在1500MHz以下時(shí)，即使是同樣的大小，仍然顯得過小，而為了在小波段取得較佳的收信質(zhì)量，就必須要把天線與PCB版做結(jié)合，藉由PCB的面機(jī)來補(bǔ)足收信的質(zhì)量。當(dāng)今的手機(jī)，天線的空間壓縮得越來越小，是犧牲天線的性能作為代價(jià)的。以前大家比較多采用外置天線，平均效率在50算低的，現(xiàn)在50以上的效率就算很高了，一般市面上的手機(jī)，即使是如Nokia等有名公司設(shè)計(jì)出來的手機(jī)，也有效率低于20的。有些滑蓋式或旋轉(zhuǎn)式的手機(jī)，甚至在某些頻段的效率只有10左右。手機(jī)構(gòu)型與天線性能的關(guān)連若是采用PIFA天線設(shè)計(jì)，就大部分的情況來說，由于整個(gè)接地面都變成了天線，而手機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就會(huì)直接影響到天線的性能。因此，如果手機(jī)等移動(dòng)裝置的內(nèi)部元件有較大的改動(dòng)，包括PCB長度、電池及塑料外殼等，那么天線的這一半就會(huì)失去均衡，必須透過重新設(shè)計(jì)PIFA天線來進(jìn)行矯正。由于在一款手機(jī)的設(shè)計(jì)流程中，元件可能會(huì)經(jīng)常被更換或移動(dòng)，這樣就會(huì)造成需要不斷重新設(shè)計(jì)天線。無論對(duì)天線設(shè)計(jì)者還是手機(jī)設(shè)計(jì)者，天線重新設(shè)計(jì)的工作都昂貴耗時(shí)的。從產(chǎn)品規(guī)劃來解決天線匹配問題對(duì)于制造商來說，雖然理想的狀態(tài)是無論何種手機(jī)設(shè)計(jì)，都可以達(dá)到幾乎或根本不需要對(duì)