手机天线设计汇总完整版本.ppt

1 27 03 2020 手机天线设计 主讲 郑宗波 飞图科技有限公司 2 27 03 2020 一 天线的由来二 天线的功能三 天线的类型四 天线设计注意事项五 金属器件对天线的影响六 天线支架设计七 支架和天线的材料八 相关术语介绍 目录 3 27 03 2020 一 天线的由来 人与人之间的通信最早是通过声音 随着长距离通信的需求 出现了用信号旗及狼烟通信 这些都在可视的范围内 随着人类的进步 电磁辐射的发现及研究才有了当今快速的通信 当然离不开天线 天线是移动通信系统中重要的组件 它负责发射及接收电磁波 设计天线的理论基础是Maxwell方程组 它把电与磁导入到同一个电磁场理论中去 4 27 03 2020 二 天线功能 天线的主要功能是 接收和发射电磁波 无线电发射机输出的射频信号功率 通过馈线 电缆 输送到天线 由天线以电磁波形式辐射出去 电磁波到达接收地点后 由天线接下来 仅仅接收很小很小一部分功率 并通过馈线送到无线电接收机 可见 天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备 没有天线也就没有无线电通信 手机不间断地与基站联系 依靠天线接收和发射天磁波 天线释放出的电磁辐射功率约440微瓦 平方厘米 天线的设计在结构上需要考虑天线的效率和SAR 对于各频段天线效率基本要求在30 以上 较高客户要求在45 以上 5 27 03 2020 手机天线主要技术指标 手机频率 指手机的频段 GSM DCS 回波损耗 当天线和馈线不匹配时 也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时 负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量 而不能全部吸收 未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波 TRP TIS 指天线的辐射功率和天线的全向接收灵敏度 驻波比 指模块输入的驻波系数和天线反射的驻波系数之间的比值 驻波比值要 1 5最好 SAR 每千克的物质在单位时间内人体头部接受的电磁能量 6 27 03 2020 SAR在结构中解决办法 天线的性能和SAR是一对矛盾体 天线性能越好 SAR越不容易通过标准指标 所以设计天线时尽量将天线头部远离接听电话时人体的脑部 有时候需要设计成倾斜的 有时候将天线放在手机的底部 或者涂导电涂料来解决SAR 但是对天线的性能有影响 7 27 03 2020 三 天线的类型 按外观分类 1 外置天线2 内置天线 重点介绍 按手机通讯制式分为 1 GSM 850MHz 900MHz2 DCS 1800MHz3 PCS 1900MHz4 CDMA1X 800MHz5 WCDMA 2100MHz 8 27 03 2020 内置天线主要种类 PIFAAntennaMonopoleAntennaChipsetAntenna 9 27 03 2020 A 外置天线空间要求CDMA 线圈尺寸 5 2 14mmGSM DCS 线圈尺寸 5 2 14mmGSM DCS PCS 线圈尺寸 5 2 15mmGSM DCS PCS WCDMA 线圈尺寸 5 2 15mmCDMA GSM DCS PCS WCDMA 线圈尺寸 5 2 15mm 四 天线设计注意事项 10 27 03 2020 外置天线图片 11 27 03 2020 B PIFA天线空间要求 PHS H 6 5mmA 200mm CDMA H 7 0mmA 400mm GSM DCS H 7 0mmA 500mm GSM DCS PCS H 7 0mmA 550mm GSM DCS PCS WCDMA H 7 5mmA 650mm CDMA GSM DCS PCS WCDMA H 8 0mmA 750mm 12 27 03 2020 L 35 40 w 15 25 H 6 8 FeedPAD GroundPAD Ground Antenna PIFA天线设计参考 13 27 03 2020 C Monopole天线空间要求 PHS Ground镂空5mm天线空间25 5mmCDMA Ground镂空5mm天线空间30 5mmGSM DCS Ground镂空7mm天线空间30 8mmGSM DCS PCS Ground镂空8mm天线空间30 8mmGSM DCS PCS WCDMA Ground镂空12mm天线空间30 10mmGSM DCS PCS CDMA WCDMA Ground镂空12mm天线空间35 10mm 14 27 03 2020 Monopole天线设计参考 1 天线垂直PCB装配 15 27 03 2020 2 天线平行PCB装配 16 27 03 2020 手机内置天线比较 PIFA和单极天线的综合比较 PIFA和单极天线适合机型比较 17 27 03 2020 主板设计 主要是内置天线 手机PCB的尺寸对天线影响很大 直板机 一般要求长在90 120mm左右 宽在35 50mm左右 某些超薄机出于设计考虑 尺寸很短 建议在电池下面铺金属板 与PCB充分连接 保证PCB的尺寸相应长度 57 38 见右图 18 27 03 2020 PIFA馈点的设计 一 天线馈点应尽量靠近PCB的边缘 尺寸建议2X3 mm 如右图黄色区域 馈点和接地点之间的距离与天线的阻抗有关系 建议其尺寸不要太大 2 3mm即可 二 馈点下边缘与PCB地之间的距离 2mm FeedPAD GroundPAD 19 27 03 2020 Monopole馈点的设计 一 单极天线一般为单馈电 尺寸大小为2X3 mm PAD下边缘距离PCB地最好 5mm 二 对于一些极限情况 如天线空间很小 周边器件较多等 可以加一个馈地点用来拓展带宽 具体位置视不同手机而定 20 27 03 2020 超薄直板手机应用PIFA的方案 PIFA的Ground PIFA的Patch 馈电 接地 PCB带地 LCD 电池 7mm 21 27 03 2020 超薄直板手机应用PIFA的方案 把PCB在天线区域截断 用一块良好接地的金属片紧贴手机Top面 使得PIFA的地降低 PIFA的patch则贴近Bottom面 这样可以充分利用手机内部的厚度 PIFA的高度要求还是不难满足的 此种方案的缺点在于LCD的位置偏低 如果ID设计的卖点是大LCD且位置偏高 则不适合这种设计 22 27 03 2020 超薄直板手机应用单极天线的方案 馈电点 电池 LCD Receiver 净空区 8mm 至少5mm 此空间可以放没有金属底座的Camerasensor PCB带地 23 27 03 2020 超薄直板手机应用单极天线的方案 采用单极天线方案的要点是有一块净空区域在板的端部 净空区域一般宽8mm 该区域没有地 且一般没有器件进入 考虑ID设计要求出音孔不能太低 speaker或者receiver势必要进入上述的净空区域 折中的设计是不可避免的 问题在于寻求一个两方面都可接受的平衡点 根据我们的实验判断认为 磁声器件在单极天线的净空区域内 在手机厚度方向拉远器件和天线的垂直距离没有明显的好处且增加手机厚度 而沿手机主板长度方向移动器件是有巨大作用的 2mm的距离足以增加1dBi的增益 此种结构布局LCD可以放得较高 ID设计都比较符合时尚 但单极天线的性能可能由于较少的净空区 其它器件的影响 会大幅度的降低 24 27 03 2020 Speaker和Receiver的影响Speaker和Receiver中间是一个线圈 长度约在40 50mm左右 加上不同长度的信号线可在不同的频段产生谐振 降低天线性能 Speaker和Receiver本身的高频音频信号会在低频段产生干扰 一般在两根信号线上各串联一个100nH电感 可有效消除其影响 100nH 五 金属器件对天线的影响 25 27 03 2020 Motor对天线性能影响很大 特别是在工作状态 震动 下 因此一般要求其距离天线馈点在10mm以上 同时为了提高天线效率等 天线在Motor上方周围区域尽量不布线 Camera正常情况下影响很小 但有时Flash的引线FPC过长 会干扰到天线 故FPC长度越短越好 Motor和Camera对天线的影响 26 27 03 2020 装饰件对天线的影响 机壳周框 上盖和下壳 和天线附近经常会有金属装饰件或电镀装饰件 如果它们的尺寸和工作频段波长成比例 会对天线产生极大干扰 图一周框电镀层使功率和灵敏度下降3dB 故在两肩部分截断 图二为Camera周围的装饰件 尺寸较大 灵敏度下降了5dB 后整体尺寸减小一圈后影响消失 电镀截断 改善性能 整体尺寸减小一圈后 干扰消失 27 27 03 2020 特殊设计的案例 MotoV3面世后 很多DesignHouse仿照其进行设计 出来的结果GSM功率很差 不是其机板设计问题 而是出在Ground的延伸上 类似手机天线都位于下端 打开状态时 上板和下板连接起来长度太长 约160mm 影响了GSM频段的辐射 研究V3手机可以发现 即使连接前后板的FPC断开 两者的Ground也是连通的 整个金属外壳和板子的Ground是一体的 这样电流回流实际上就缩短了板子实际尺寸 保证了GSM频段的性能 类似手机设计时 不仅要保证FPC连接前后板 还要在板子另一侧把Ground也连通 28 27 03 2020 六 天线支架结构设计注意事项 1 支架平面2 热熔柱3 支架固定4 天线弹片 29 27 03 2020 1 支架平面 支架平面 尽量是完整的平面或连续的曲面 曲面上的天线需随曲面弧度进行折弯 容易出现天线与支架间不贴和 有缝隙 若贴和不稳定会影响天线性能 也容易与外壳有干涉 30 27 03 2020 2 热熔柱 热熔柱的作用 将天线定位以及天线与支架的固定 在支架设计时需要预留出来天线的高度及热熔柱热熔后的高度 天线厚0 2mm 根据经验 通常要求热熔柱热熔后与天线的距离保持在0 3mm 即 需要预留出至少0 5mm的高度 以避免与壳体有干涉 天线弹片处的热熔柱较重要 一般会设计直径为1 2mm 31 27 03 2020 3 支架固定 支架的固定形式因ID异 采用定位柱和卡扣与PCB板固定是最佳的固定方式 其中卡扣的一些参数设计较关键 32 27 03 2020 亦可以设计用镙钉固定支架与PCB板 但镙钉是金属件 会对天线有一定影响 支架与壳体固定 存在着双重定位 即支架与PCB的定位 支架与壳体的定位 需要定位准确以保证天线弹片与馈点的良好接触 33 27 03 2020 4 天线弹片 馈点位置需RF工程师与硬件工程师讨论确定 PAD尺寸至少保证在3 2mm PAD间距保持在2mm以上 支架结构设计也需考虑到PAD位置 天线和PAD需要合适的距离 以保证天线和PAD的良好接触 34 27 03 2020 七 材料 1 支架材料 天线支架使用的材料主要有ABS PC 二者比较 ABS塑性好 PC材料的硬度高 材料会根据结构选用 亦可根据硬件要求 做成透明 以方便观察支架下的元器件 2 天线材料 一般采用铍铜 镍铜 磷青铜 硬度分为H H 2 H 4 厚度一般采用0 2mm或0 15mm 也可用不锈钢片和FPC金属材料性能从高到低为 铍铜 镍银 磷青铜 不锈钢SUS 301或302头部镀金 35 27 03 2020 八 相关术语介绍 ReturnLoss 回波损耗SmithChart 阻抗圆图Dipole 振子天线VSWR 驻波比BandWidth 带宽Isotropic 理想电源天线Gain 增益Efficiency 效率Polarization 极化Directivity 方向系数Impedance 天线阻抗Frequency 工作频率 36 27 03 2020 回波损耗 ReturnLoss 当天线和馈线不匹配时 也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时 负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量 而不能全部吸收 未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波 回波损失RL 10log 37 27 03 2020 阻抗圆图 SmithChart SmithChart是表征微波器件的阻抗特性的工具 它适用于任何特性阻抗的系统 通常的系统的特性阻抗为Z0 50 SmithChart通常为归一化的表达方式 即Z ZL Z0如下所示为SmithChart的电感及电抗的曲线 38 27 03 2020 阵子天线 Dipole 对称振子是一种经典的 迄今为止使用最广泛的天线 单个半波对称振子可简单地 独立地使用或用作为抛物面天线的馈源 也可采用多个半波对称振子组成天线阵 两臂长度相等的振子叫做对称振子 每臂长度为四分之一波长 全长为二分之一波长的振子 称半波对称振子 半波对称振子及它的3D辐射场图 39 27 03 2020 驻波比 VSWR 驻波比的产生 是由于入射波能量传输到天线输入端未被全部吸收 辐射 产生反射波 迭加而形成的 VSWR越大 反射越大 匹配越差 VSWR Umax Umin经过计算 驻波比对天线反射功率 所增大的馈线损耗与完全匹配 VSWR 1 时相比 所减小的总辐射功率的关系 40 27 03 2020 带宽 Bandwidth