手機(jī)天線設(shè)計(jì)匯總(飛圖科技)

手機(jī)天線設(shè)計(jì)主講：鄭宗波飛圖科技有限公司2/3/20231一、天線的由來(lái)二、天線的功能三、天線的類型四、天線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)五、金屬器件對(duì)天線的影響六、天線支架設(shè)計(jì)七、支架和天線的材料八、相關(guān)術(shù)語(yǔ)介紹目錄2/3/20232一、天線的由來(lái)人與人之間的通信最早是通過(guò)聲音，隨著長(zhǎng)距離通信的需求，出現(xiàn)了用信號(hào)旗及狼煙通信。這些都在可視的范圍內(nèi)，隨著人類的進(jìn)步，電磁輻射的發(fā)現(xiàn)及研究才有了當(dāng)今快速的通信，當(dāng)然離不開(kāi)天線。天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)中重要的組件。它負(fù)責(zé)發(fā)射及接收電磁波。設(shè)計(jì)天線的理論基礎(chǔ)是Maxwell方程組。它把電與磁導(dǎo)入到同一個(gè)電磁場(chǎng)理論中去。2/3/20233二、天線功能天線的主要功能是：接收和發(fā)射電磁波。無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。手機(jī)不間斷地與基站聯(lián)系，依靠天線接收和發(fā)射天磁波，天線釋放出的電磁輻射功率約440微瓦/平方厘米，天線的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上需要考慮天線的效率和SAR，對(duì)于各頻段天線效率基本要求在30%以上。較高客戶要求在45％以上。2/3/20234手機(jī)天線主要技術(shù)指標(biāo)手機(jī)頻率：指手機(jī)的頻段，GSM，DCS……回波損耗：當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的部分能量將反射回去形成反射波。TRP/TIS：指天線的輻射功率和天線的全向接收靈敏度。駐波比：指模塊輸入的駐波系數(shù)和天線反射的駐波系數(shù)之間的比值。駐波比值要≤1.5最好。SAR：每千克的物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)人體頭部接受的電磁能量。2/3/20235SAR在結(jié)構(gòu)中解決辦法天線的性能和SAR是一對(duì)矛盾體。天線性能越好，SAR越不容易通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。所以設(shè)計(jì)天線時(shí)盡量將天線頭部遠(yuǎn)離接聽(tīng)電話時(shí)人體的腦部。有時(shí)候需要設(shè)計(jì)成傾斜的；有時(shí)候?qū)⑻炀€放在手機(jī)的底部；或者涂導(dǎo)電涂料來(lái)解決SAR(但是對(duì)天線的性能有影響)。2/3/20236三、天線的類型按外觀分類：1、外置天線2、內(nèi)置天線(重點(diǎn)介紹)按手機(jī)通訊制式分為：1、GSM:850MHz/900MHz2、DCS:1800MHz3、PCS:1900MHz4、CDMA1X:800MHz5、WCDMA:2100MHz2/3/20237內(nèi)置天線主要種類PIFAAntennaMonopoleAntennaChipsetAntenna2/3/20238A、外置天線空間要求CDMA:線圈尺寸?5.2*14mm

GSM&DCS:線圈尺寸?5.2*14mm

GSM&DCS&PCS:

線圈尺寸?5.2*15mm

GSM&DCS&PCS&WCDMA:線圈尺寸?5.2*15mm

CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA:線圈尺寸?5.2*15mm四、天線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)2/3/20239外置天線圖片2/3/202310B、PIFA天線空間要求PHS:H>6.5mmA>200mm2CDMA:H>7.0mmA>400mm2GSM&DCS:H>7.0mmA>500mm2GSM&DCS&PCS:H>7.0mmA>550mm2GSM&DCS&PCS&WCDMA:H>7.5mmA>650mm2CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA:H>8.0mmA>750mm22/3/202311L=35~40w=15~25H=6~8FeedPADGroundPADGroundAntennaPIFA天線設(shè)計(jì)參考2/3/202312C、Monopole天線空間要求PHS:Ground鏤空5mm天線空間25*5mm

CDMA:Ground鏤空5mm天線空間30*5mm

GSM&DCS:Ground鏤空7mm天線空間30*8mm

GSM&DCS&PCS:Ground鏤空8mm天線空間30*8mmGSM&DCS&PCS&WCDMA:

Ground鏤空12mm天線空間30*10mmGSM&DCS&PCS&CDMA&WCDMA:Ground鏤空12mm天線空間35*10mm2/3/202313Monopole天線設(shè)計(jì)參考1、天線垂直PCB裝配2/3/2023142、天線平行PCB裝配2/3/202315有效面積mm2距主板器件位置mm天線投影下方天線饋源天線體積天線性能SARPIFA約為6007有地2大很好低單極約為3005無(wú)地1小好高直板機(jī)翻蓋機(jī)滑蓋機(jī)折疊機(jī)超薄直板機(jī)超薄折疊機(jī)PIFA適用適用適用適用不適用不適用單極不適用不適用不適用不適用適用適用手機(jī)內(nèi)置天線比較PIFA和單極天線的綜合比較PIFA和單極天線適合機(jī)型比較2/3/202316主板設(shè)計(jì)(主要是內(nèi)置天線)手機(jī)PCB的尺寸對(duì)天線影響很大，(直板機(jī))一般要求長(zhǎng)在90-120mm左右，寬在35-50mm左右。某些超薄機(jī)出于設(shè)計(jì)考慮，尺寸很短，建議在電池下面鋪金屬板，與PCB充分連接，保證PCB的尺寸相應(yīng)長(zhǎng)度。5738見(jiàn)右圖2/3/202317PIFA饋點(diǎn)的設(shè)計(jì)一、天線饋點(diǎn)應(yīng)盡量靠近PCB的邊緣，尺寸建議2X3(mm)，如右圖黃色區(qū)域。饋點(diǎn)和接地點(diǎn)之間的距離與天線的阻抗有關(guān)系，建議其尺寸不要太大，2－3mm即可。二、饋點(diǎn)下邊緣與PCB地之間的距離≥2mmFeedPADGroundPAD2/3/202318Monopole饋點(diǎn)的設(shè)計(jì)一、單極天線一般為單饋電，尺寸大小為2X3(mm)。PAD下邊緣距離PCB地最好≥5mm。二、對(duì)于一些極限情況，如天線空間很小，周邊器件較多等，可以加一個(gè)饋地點(diǎn)用來(lái)拓展帶寬，具體位置視不同手機(jī)而定。2/3/202319超薄直板手機(jī)應(yīng)用PIFA的方案PIFA的GroundPIFA的Patch饋電接地PCB帶地LCD電池7mm2/3/202320超薄直板手機(jī)應(yīng)用PIFA的方案把PCB在天線區(qū)域截?cái)?，用一塊良好接地的金屬片緊貼手機(jī)Top面，使得PIFA的地降低；PIFA的patch則貼近Bottom面，這樣可以充分利用手機(jī)內(nèi)部的厚度。PIFA的高度要求還是不難滿足的。此種方案的缺點(diǎn)在于LCD的位置偏低，如果ID設(shè)計(jì)的賣點(diǎn)是大LCD且位置偏高，則不適合這種設(shè)計(jì)。2/3/202321超薄直板手機(jī)應(yīng)用單極天線的方案饋電點(diǎn)電池LCDReceiver凈空區(qū)～8mm至少5mm此空間可以放沒(méi)有金屬底座的CamerasensorPCB帶地2/3/202322超薄直板手機(jī)應(yīng)用單極天線的方案采用單極天線方案的要點(diǎn)是有一塊凈空區(qū)域在板的端部，凈空區(qū)域一般寬8mm。該區(qū)域沒(méi)有地，且一般沒(méi)有器件進(jìn)入。考慮ID設(shè)計(jì)要求出音孔不能太低，speaker或者receiver勢(shì)必要進(jìn)入上述的凈空區(qū)域。折中的設(shè)計(jì)是不可避免的。問(wèn)題在于尋求一個(gè)兩方面都可接受的平衡點(diǎn)。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)判斷認(rèn)為，磁聲器件在單極天線的凈空區(qū)域內(nèi)，在手機(jī)厚度方向拉遠(yuǎn)器件和天線的垂直距離沒(méi)有明顯的好處且增加手機(jī)厚度；而沿手機(jī)主板長(zhǎng)度方向移動(dòng)器件是有巨大作用的，2mm的距離足以增加1dBi的增益。此種結(jié)構(gòu)布局LCD可以放得較高，ID設(shè)計(jì)都比較符合時(shí)尚，但單極天線的性能可能由于較少的凈空區(qū)，其它器件的影響，會(huì)大幅度的降低。2/3/202323Speaker和Receiver的影響Speaker和Receiver中間是一個(gè)線圈，長(zhǎng)度約在40-50mm左右，加上不同長(zhǎng)度的信號(hào)線可在不同的頻段產(chǎn)生諧振，降低天線性能。Speaker和Receiver本身的高頻音頻信號(hào)會(huì)在低頻段產(chǎn)生干擾。一般在兩根信號(hào)線上各串聯(lián)一個(gè)100nH電感，可有效消除其影響。100nH五、金屬器件對(duì)天線的影響2/3/202324

Motor對(duì)天線性能影響很大，特別是在工作狀態(tài)(震動(dòng))下。因此一般要求其距離天線饋點(diǎn)在10mm以上，同時(shí)為了提高天線效率等，天線在Motor上方周圍區(qū)域盡量不布線。Camera正常情況下影響很小，但有時(shí)Flash的引線FPC過(guò)長(zhǎng)，會(huì)干擾到天線，故FPC長(zhǎng)度越短越好。Motor和Camera對(duì)天線的影響2/3/202325裝飾件對(duì)天線的影響機(jī)殼周框（上蓋和下殼）和天線附近經(jīng)常會(huì)有金屬裝飾件或電鍍裝飾件，如果它們的尺寸和工作頻段波長(zhǎng)成比例，會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生極大干擾。圖一周框電鍍層使功率和靈敏度下降3dB，故在兩肩部分截?cái)?。圖二為Camera周圍的裝飾件，尺寸較大，靈敏度下降了5dB，后整體尺寸減小一圈后影響消失。電鍍截?cái)?，改善性能整體尺寸減小一圈后，干擾消失。2/3/202326特殊設(shè)計(jì)的案例MotoV3面世后，很多DesignHouse仿照其進(jìn)行設(shè)計(jì)，出來(lái)的結(jié)果GSM功率很差，不是其機(jī)板設(shè)計(jì)問(wèn)題，而是出在Ground的延伸上。類似手機(jī)天線都位于下端，打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，上板和下板連接起來(lái)長(zhǎng)度太長(zhǎng)，約160mm，影響了GSM頻段的輻射。研究V3手機(jī)可以發(fā)現(xiàn)，即使連接前后板的FPC斷開(kāi)，兩者的Ground也是連通的，整個(gè)金屬外殼和板子的Ground是一體的，這樣電流回流實(shí)際上就縮短了板子實(shí)際尺寸，保證了GSM頻段的性能。類似手機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證FPC連接前后板，還要在板子另一側(cè)把Ground也連通。2/3/202327六、天線支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)1、支架平面2、熱熔柱3、支架固定4、天線彈片2/3/2023281、支架平面支架平面:盡量是完整的平面或連續(xù)的曲面。曲面上的天線需隨曲面弧度進(jìn)行折彎，容易出現(xiàn)天線與支架間不貼和，有縫隙。若貼和不穩(wěn)定會(huì)影響天線性能，也容易與外殼有干涉。2/3/2023292、熱熔柱熱熔柱的作用：將天線定位以及天線與支架的固定。在支架設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)留出來(lái)天線的高度及熱熔柱熱熔后的高度。天線厚0.2mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常要求熱熔柱熱熔后與天線的距離保持在0.3mm。即，需要預(yù)留出至少0.5mm的高度，以避免與殼體有干涉。天線彈片處的熱熔柱較重要，一般會(huì)設(shè)計(jì)直徑為1.2mm。2/3/2023303、支架固定支架的固定形式因ID異，采用定位柱和卡扣與PCB板固定是最佳的固定方式。其中卡扣的一些參數(shù)設(shè)計(jì)較關(guān)鍵。2/3/202331亦可以設(shè)計(jì)用鏍釘固定支架與PCB板，但鏍釘是金屬件，會(huì)對(duì)天線有一定影響。支架與殼體固定，存在著雙重定位，即支架與PCB的定位，支架與殼體的定位。需要定位準(zhǔn)確以保證天線彈片與饋點(diǎn)的良好接觸。2/3/2023324、天線彈片饋點(diǎn)位置需RF工程師與硬件工程師討論確定，PAD尺寸至少保證在3×2mm，PAD間距保持在2mm以上。支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需考慮到PAD位置，天線和PAD需要合適的距離，以保證天線和PAD的良好接觸。2/3/202333七、材料1、支架材料：天線支架使用的材料主要有ABS、PC。二者比較，ABS塑性好，PC材料的硬度高。材料會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)選用，亦可根據(jù)硬件要求，做成透明，以方便觀察支架下的元器件。2、天線材料：一般采用鈹銅，鎳銅，磷青銅，硬度分為H、H/2、H/4。厚度一般采用0.2mm或0.15mm。也可用不銹鋼片和FPC

金屬材料性能從高到低為：鈹銅－－鎳銀－－磷青銅－－不銹鋼SUS（301或302頭部鍍金）2/3/202334八、相關(guān)術(shù)語(yǔ)介紹ReturnLoss-----回波損耗SmithChart-----阻抗圓圖Dipole------------振子天線VSWR-----------駐波比BandWidth-----帶寬Isotropic---------理想電源天線Gain--------------增益Efficiency-------效率Polarization-----極化Directivity-------方向系數(shù)Impedance-----天線阻抗Frequency-----工作頻率2/3/202335回波損耗--ReturnLoss當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的部分能量將反射回去形成反射波。回波損失RL=-10log2/3/202336阻抗圓圖－－SmithChartSmithChart是表征微波器件的阻抗特性的工具。它適用于任何特性阻抗的系統(tǒng)，通常的系統(tǒng)的特性阻抗為Z0＝50Ω。SmithChart通常為歸一化的表達(dá)方式。即Z＝ZL/Z0如下所示為SmithCh