第六講手機(jī)天線類型比較和結(jié)構(gòu)射頻規(guī)則

第六講手機(jī)天線類型比較和結(jié)構(gòu)射頻規(guī)則一、各種手機(jī)內(nèi)置天線的特點(diǎn)和演變過(guò)程在常見的手機(jī)天線結(jié)構(gòu)中，陶瓷介質(zhì)天線由于Q值很高，帶寬窄，損耗大，并且易受環(huán)境的影響而產(chǎn)生頻率漂移，因此不推薦作為手機(jī)主天線使用，但由于其尺寸小的優(yōu)勢(shì)，可以用作對(duì)接收靈敏度要求不高的藍(lán)牙天線。PCB板天線也一般僅僅是通過(guò)將外置單極子天線通過(guò)PCB過(guò)孔和PCB走線將輻射體做在PCB板上，并利用介質(zhì)板的介電常數(shù)在一定程度上減小天線尺寸的形式，這種天線也由于介質(zhì)板的損耗常數(shù)而產(chǎn)生一定的損耗，所以在大多數(shù)高端機(jī)情況下也不推薦使用，僅在少數(shù)低端機(jī)和工作頻點(diǎn)較少的情況下才為節(jié)約成本而使用。PCB天線可作外置天線也可作內(nèi)置天線。PIFA天線自產(chǎn)生以來(lái)，一直到今天都一直是內(nèi)置天線的主要形式，因?yàn)樗叽巛^小，可以充分利用PCB板作為接地面，并通過(guò)接地片將諧振長(zhǎng)度縮小為四分之波長(zhǎng)。但是隨著手機(jī)小型化和集成度更高的發(fā)展要求，原有PIFA天線逐漸顯示出一些對(duì)結(jié)構(gòu)方面的嚴(yán)格限制。于是有不少業(yè)界領(lǐng)先的手機(jī)制造商

Motorola、Samsung、Sony-Ericsson等公司逐漸改變手機(jī)天線的設(shè)計(jì)風(fēng)格，改用各種變形的單極子天線設(shè)計(jì)，這樣就減小了結(jié)構(gòu)對(duì)天線的依賴性，增加了手機(jī)外觀的靈活性。比如索愛E908的菱形天線設(shè)計(jì)，SamsungE708的城墻線（Meander）天線設(shè)計(jì)，以及MotorolaV3中使用的一個(gè)金屬銅棒作為天線的設(shè)計(jì)。這些新型的天線設(shè)計(jì)顯示了高超的設(shè)計(jì)技巧，它們往往不易被天線其他天線廠家和手機(jī)廠家模仿，并逐漸發(fā)展成手機(jī)天線廠家之間和手機(jī)廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的一項(xiàng)核心技術(shù)。二、PIFA天線和單極子天線的性能比較前面我們已經(jīng)分別對(duì)單極子天線和PIFA天線的一般特性進(jìn)行過(guò)分析，下面我們?cè)趲追N重要的特性方面比較一下兩種天線性能的優(yōu)劣。1．空間結(jié)構(gòu)要求兩種天線的設(shè)計(jì)對(duì)空間的預(yù)留都必須考慮Chu極限定理，但在組成上，PIFA要求必須有一個(gè)輻射單元和一個(gè)大的接地面，兩者互相平行，并且輻射體和接地面之間必須有一個(gè)不小的間

距。接地面和輻射體都是物理實(shí)體，它們必須位于手機(jī)上，所以對(duì)結(jié)構(gòu)限制較大。采用PIFA天線手機(jī)不可能做得很薄。而采用單極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，則天線僅有一個(gè)輻射體而沒(méi)有地面，因此它對(duì)輻射空間的要求就僅僅是天線輻射體周圍的空間而沒(méi)有地面的限制，天線占用的輻射空間可以不在手機(jī)體上而在手機(jī)周圍的外界空間。因此對(duì)結(jié)構(gòu)的限制較小。2．可靠性PIFA天線需要兩個(gè)Pin腳，而單極子天線僅僅需要一個(gè)Pin腳。如果PIFA天線的接地Pin腳接觸不可靠，則對(duì)天線的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響，已經(jīng)有天線廠家提供的相關(guān)結(jié)論證實(shí)。單個(gè)觸點(diǎn)產(chǎn)生的天線問(wèn)題更容易排查，因此單極子天線比PIFA天線具有更高的可靠性。3．地面的尺寸對(duì)天線性能的影響對(duì)PIFA天線來(lái)說(shuō)，最優(yōu)的帶寬出現(xiàn)在接地面的尺寸大約為0.35，0.85和1.35處。接地面上的最小電流周期為0.5。而對(duì)單極子天線來(lái)說(shuō)，則不存在最優(yōu)尺寸限制。而接地面長(zhǎng)度的變

化對(duì)頻率和帶寬的影響如下表所示（資料來(lái)源于臺(tái)灣中山大學(xué)相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果）：從上表可以看出，由于接地面的存在，PIFA天線的工作頻率變得相當(dāng)穩(wěn)定，受外界環(huán)境因素的影響很小。這也是PIFA天線在傳統(tǒng)內(nèi)置天線手機(jī)中備受青睞的一個(gè)重要原因。4．SAR值比較采用PIFA天線作為內(nèi)置天線設(shè)計(jì)，由于能量只在手機(jī)外側(cè)半此具有較好的SAR值。而采全空間輻射，因此SAR值高于PIFA但是內(nèi)置單極子天線比外置天線SAR值會(huì)略好。空間輻射，并有較高的前后比，因用單極子變形天線，能量在天線，5．設(shè)計(jì)難度PIFA天線由于接地面的作用使頻率性能變得十分穩(wěn)定，因此其設(shè)計(jì)難度相對(duì)較小，任何手機(jī)天線廠家都樂(lè)于采用PIFA天線做設(shè)計(jì)。而內(nèi)置單極子天線受結(jié)構(gòu)件的影響較大，加上人手和使用手機(jī)的人體對(duì)它的影響都較大，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮各種環(huán)境因素對(duì)它的影響，因此設(shè)計(jì)難度較大。但結(jié)合用戶的使用要求，在待機(jī)狀態(tài)、使用狀態(tài)下根據(jù)用戶通常的持機(jī)習(xí)慣結(jié)合手機(jī)的結(jié)構(gòu)將天線設(shè)計(jì)成不同狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的方向圖特性，但最終能夠滿足用戶的要求，這種天線設(shè)計(jì)方式需要很高的技巧，但也具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這類手機(jī)不易被其他廠家模仿，這也是少數(shù)領(lǐng)先的手機(jī)廠商在最新上市的殺手锏類機(jī)型中通常使用這類天線做手機(jī)設(shè)計(jì)的重要原因。索愛E908中的天線在閉蓋和翻蓋下有不同的方向性，MotorolaV3中用一根金屬棒即可以做設(shè)計(jì)，都顯示了很高的天線設(shè)計(jì)技巧。三、結(jié)構(gòu)射頻規(guī)則以下介紹采用PIFA天線和單極子天線做內(nèi)置天線設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)規(guī)則。

[規(guī)則1]在設(shè)計(jì)任何種類的移動(dòng)電話內(nèi)置天線時(shí)，為獲得盡可能好的性能，和天線制造商應(yīng)在最初階段以來(lái)開始設(shè)計(jì)天線是很重要的，這對(duì)內(nèi)置天線廠家來(lái)說(shuō)尤其重要。[規(guī)則2]使用盡可能大的空間：對(duì)天線性能來(lái)說(shuō)，尺寸越大越好。GSM三頻天線推薦的尺寸是20×40×8mm（PIFA，PCB單側(cè)），或14×40mm（Monopole，PCB雙側(cè)）。對(duì)PIFA天線，輻射體和地面的高度是帶寬的主要決定因素，推薦為8mm，最低不得小于6.5mm。[規(guī)則3]PCB長(zhǎng)度對(duì)天線長(zhǎng)度不得小于80mm。當(dāng)PCB長(zhǎng)度小于80mm時(shí)，增益顯著惡化。如做多頻段設(shè)計(jì)，PCB長(zhǎng)度應(yīng)增益有顯著的影響，推薦雙頻PCB適當(dāng)加長(zhǎng)。[規(guī)則4]天線應(yīng)遠(yuǎn)離以下金屬物體，保持6mm以上間距，并要求以下物體有良好的接地：LCD、攝像頭、液晶屏、按鍵等的彎曲電纜、連接振蕩器或揚(yáng)聲器的導(dǎo)線、含金屬的螺絲或螺母。[規(guī)則5]饋點(diǎn)和短接電路點(diǎn)接近接地片（手機(jī)PCB板）的邊緣，對(duì)彈片接觸來(lái)說(shuō)，彎折點(diǎn)和PCB焊點(diǎn)的距離應(yīng)為4－5mm。

[規(guī)則6]不要屏蔽焊點(diǎn)，盡可能減少EMC遮護(hù)板。[規(guī)則7]發(fā)射片的邊緣盡可能靠近接地片邊緣，甚至可以超出接地片邊緣。[規(guī)則8]手機(jī)所有金屬必須正確接地，避免能量損失和附加不輻射諧振，關(guān)注射頻屏蔽罩。[規(guī)則9]發(fā)射片和接地片之間的空間盡可能多地填充空氣，支撐物應(yīng)盡可能少。[規(guī)則10]天線推薦和避免放置的位置：避免放置位置[規(guī)則11]推薦天線形狀為天線結(jié)構(gòu)附近盡量減少其他物體，保持天線為一金屬片狀結(jié)構(gòu)，盡量避免減小天線寬度。（結(jié)構(gòu)）可行但設(shè)計(jì)難度較大、性能較差的情況是天線上有較大的孔（如測(cè)試端口和攝像頭），為（建議電池扣放在側(cè)面，以避免影響天線形狀）。安裝電池或其他需要減小天線尺寸[規(guī)則12]推薦焊盤大小2×3mm，間距2mm。（PCB）[規(guī)則13]連接天線饋電點(diǎn)的傳輸線盡量采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（CPW）。（結(jié)構(gòu)和PCB）[規(guī)則14]天線下方盡量減少元件，特別是較高的元件。天線下放置元件的面積最多不超過(guò)30％，最高元器件與天線的間距最少要確保為2mm。（結(jié)構(gòu)）[規(guī)則15]不能在天線正下方放置匹配焊盤，匹配元器件應(yīng)在天線饋電點(diǎn)附近。（PCB）[規(guī)則16]天線與電池的最小距離為10mm。（結(jié)構(gòu)）[規(guī)則17]天線不應(yīng)被耦合到屏蔽罩，所有接地屏蔽應(yīng)與天線有6mm間隔。（結(jié)構(gòu)）[規(guī)則18]