设计天线的要求

手机内置天线设计概述手机内置天线设计概述 手机内置天线设计 52RD com 在手机制造商中 为什么大家公认 NOKIA 的手机信号好呢 为什么大家都认为 MOTO 的手机 信号好且性能稳定呢 主要原因是 NOKIA 和 MOTO 等大公司在天线与 RF 方面的设计流程的理 念与国内厂商不一样 像 MOTO 公司所要主张的那样 手机设计首先要保证信号好 即 RF 性 能好 其次要保证音频性能好 话都听不清打什么电话呢 所以 在他们的初期方案中就包含 了与天线相关的基于外观 主板 结构等的总体环境设计 由于外观 主板 结构 天线是作 为一个整体 提供给天线的预留空间及内部的 RF 环境十分合理 所以天线性能优越也在情理 之中 52RD com 反观国内的手机设计 负责项目管理和主持项目设计的人员对天线的认识不足 同时受结构方 案和外形至上的制约 到最后来 配 天线 对天线的调试匹配占了整个天线设计流程的大部份 时间 这与包含天线的整体方案设计有本质的区别 往往就导致留给天线的面积和体积不足 或在天线下面安置喇叭 摄像头 马达 FPC 排线等元件 造成天线性能下降 实际上 如果 在方案预研和总体设计阶段 让 RF 与天线方面的技术人员有效参与进来 进行有效的 RF 和天 线设计沟通和评估 ID 结构 RF 设计兼顾天线和整体性能 那么设计出优质的手机产品有什 么难的呢 52RD com 一 内置天线对于手机整体设计的通用要求 52RD com 主板 52RD com a 布线 在关联 RF 的布线时要注意转弯处运用 45 度角走线或圆弧处理 做好铺地隔离和走线 的特性阻抗仿真 同时 RF 地要合理设计 RF 信号走线的参考地平面要找对 六层板目前的大 部份以第三层做完整的地参考面 并保证 RF 信号走线时信号回流路径最短 并且 RF 信号线 与地之间的相应层没有其它走线影响它 主要是方便 PCB 布线的微带线阻抗的计算和仿真 PCB 板和地的边缘要打 地墙 从 RF 模块引出的天线馈源微带线 为防止走线阻抗难以控制 减少损耗 不要布在 PCB 的中间层 设计在 TOP 面为宜 其参考层应该是完整地参考面 并 且在与屏蔽盒交叉处屏蔽盒要做开槽避让设计 以防短路和旁路耦合 天线 RF 馈电焊盘应采 用圆角矩形盘 通常尺寸为 3 4mm 焊盘含周边 0 8mm 的面积下 PCB 所有层面不布铜 双 馈点时 RF 与地焊盘的中心距应在 4 5mm 之间 52RD com b 布板 RF 模块附近避免安置一些零散的非屏蔽元件 屏蔽盒尽量规整一体 同时少开散热孔 最忌讳长条形状孔槽 含金属结构的元件 如喇叭 马达 摄像头基板等金属要尽量接地 对 于折叠和滑盖机 应避免设计长度较长的 FPC FPC 走线的时钟信号及其倍频容易成为带内杂 散干扰 最好两面加接地屏蔽层 52RD com c 常见问题 52RD com 对于传导接收灵敏已经满足要求 或非常优秀 但整机接收灵敏度差的情况 特别是 PIFA 天 线 其辐射体的面积和形式还是对辐射接收灵敏度有一定的影响 可以在天线方面做改进 52RD com 整机杂散问题原因在于天线的空间辐射被主板的金属元件 包括机壳上天线附近的金属成分装 饰件 耦合吸收后产生一定量的二次辐射 频率与金属件的尺寸关联 因此要求此类元件有良 好的接地 消除或降低二次辐射 整机杂散问题还与天线与 RF 模块之间的谐振匹配电路有关 如果谐振匹配电路的稳定性不好 很容易激发产生高次谐波的干扰 52RD com 52RD com 机壳的设计 52RD com 由于手机内置天线对其附近的介质比较敏感 因此 外壳的设计和天线性能有密切关系 外壳 的表面喷涂材料不能含有金属成分 壳体靠近天线的周围不要设计任何金属装饰件或电镀件 若有需要 应采用非金属工艺实现 机壳内侧的导电喷涂 应止于距天线 20mm 处 对于纯金 属的电池后盖 应距天线 20mm 以上 如采用单极 monopole 天线 面板禁用金属类壳体 及环状金属装饰 电池 含电连接座 与天线的距离应设计在 5mm 以上 52RD com 二 手机内置天线的分类 52RD com 1 PIFA 皮法天线 52RD com a 天线结构 52RD com 辐射体面积 550 600mm2 与 PCB 主板 TOP 面的距离 高度 6 7mm 天线与主板有两个 馈电点 一个是天线模块输出 另一个是 RF 地 天线的位置在手机顶部 PIFA 皮法天线如按 要求设计环境结构 电性能相当优越 包括 SAR 指标 是内置天线首选方案 52RD com 适用于有一定厚度手机产品 折叠 滑盖 旋盖 直板机 52RD com b 主板 52RD com 天线投影区域内有完整的铺地 同时不要天线侧安排元器件 特别是马达 SPEAKER RECEIVER FPC 排线 LDO 等较大金属结构的元件和低频驱动器件 它们对天线 的电性性能有很大的负面影响 52RD com c 天线的馈源位置和间距 52RD com 一般建议设计在左上方或右上方 间距在 4 5mm 之间 52RD com 2 PIFA 天线的几种结构方式 52RD com a 支架式 52RD com 天线由塑胶支架和金属片 辐射体 组成 金属片与塑胶支架采用热熔方式固定 塑胶常用 ABS 或 PC 材料 金属常用铍铜 磷铜 不锈钢片 也可用 FPC 但主板上要加两个 PIN 这两 项的成本稍高 52RD com b 贴附式 52RD com 直接将金属片 辐射体 贴附在手机背壳上 固定方式一般用热熔结构 也有用背胶方式的 由于结构不很稳定 很少采用 FPC 也如此 52RD com 3 MONOPOLE 单极天线 52RD com a 天线结构 52RD com 辐射体面积 300 350mm2 与 PCB 主板 TOP 面的距离 高度 3 4mm 天线辐射体与 PCB 的相对距离应大于 2mm 以上 天线与主板只有一个馈电点 是模块输出 天线的位置在手机 顶部或底部 52RD com MONOPOLE 单极天线如按要求设计环境结构 电性能可达到较高的水平 缺点是 SAR 稍高 不适用折叠 滑盖机 在直板机和超薄直板机上有优势 52RD com b 主板 52RD com 天线投影区域不能有铺地 或无 PCB 同时也不要安排马达 SPEAKER RECEIVER 等较大金 属结构的元件 由于单极天线的电性能对金属特别敏感 甚至无法实现 52RD com 52RD com 52RD com c 天线的馈源位置馈电点的位置 52RD com 与 PIFA 方式有区别 一般建议设计在天线的四个角上 52RD com 4 MONOPOLE 单极天线的几种结构方式 52RD com a 与 PIFA 天线相同 有支架式 贴附式 52RD com b PCB 式 MONOPOLE 单极天线的辐射体采用 PCB 板 与主板的馈电有簧片和 PIN 方式 热熔 在塑胶支架上 还可以在机壳上做定位卡勾安装 52RD com c 特殊结构天线设计在手机顶部立面 厚度 上 用金属丝成型 如 MOTO 的 V3 V8 超薄系 列 他们为天线设计的金属空白区域很大 实际上这是属于天线的一部分 国内仿制失败的原 因是没有给这个金属空白区域 这种形式环境设计和天线设计均有难度 需慎重选择 另一种 是称为 假内置 的形式 相当于将外置天线移到机内 体积很小 用 PCB 或陶瓷材料制成 这 种天线带宽 辐射性能较差 成本高 不建议采用 52RD com 三 手机内置天线形式比较 52RD com 这里简单比较一下两种主流 PIFA 皮法和 MONOPOLE 单极天线 以及分别适用的机型结构 52RD com 52RD com 52RD com 有效面积 mm2 距主板 mm 天线投影下方 天线馈源 天线体积 电性能 SAR 52RD com 皮法 600 7 有地 2 大 很好 低 52RD com 单极 350 4 无地 1 小 好 稍高 52RD com 折叠机 滑盖机 旋盖机 直板机 超薄折叠机 超薄直板机 52RD com 皮法 适用 适用 适用 适用 不适用 不适用 52RD com 单极 不适用 不适用 不适用 适用 适用定制 适用 52RD com 四 很多情况下 手机设计公司因为某一款机型的天线性能未达标 而被迫更换天线公司 结 果也未尽人意 项目进程延迟 但此时的造型 机壳模具 主板可变化的空间很小 最终勉强 上市 或推翻该方案 造成很大的损失 因此 建议在手机方案设计时 尤其在产品造型和结 构设计阶段让天线工程师参与进来 对天线相关的一些方案提出建议 共同研讨 设计出比较 合理的外观造型和射频环境结构 提高天线的电性能指标 使手机产品在整体性能方面有较高 的品质 希望上述内容能对手机方案设计 特别是有关天线环境的设计有参考价值 加强手机 方案设计的各专业工程师对天线特性更深入的了解 减少项目在时间 人力物力方面的损失 52RD com 手机内置天线技术要求 52RD com 手机内置天线技术要求 52RD com 内置天线技术要求 52RD com 内置天线材料为铍铜 不锈钢等其他材料 具体支撑视结构而定 铍铜 外面镀金 52RD com 天线的 RF 性能比较好 但是价格稍高于不锈钢材料 52RD com 内置天线性能的保证对结构要求较严 基本的要求如下 否则天线性能将受到较大影响 具体 影响程度视天线的类型而定 52RD com 一般认为 PIFA 天线体积大 性能好 滑盖机必须使用此种天线进行设计 具体 52RD com 要求如下 52RD com 1 PIFA 的高度应该不小于 6 5mm 52RD com 2 LCM 的 connector 应该布局在主板的键盘面 52RD com 3 天线的宽度应该不小于 20mm 52RD com 4 从射频测试口到天线馈点的引线的阻抗保持在 50 欧姆 52RD com 5 PIFA 天线的附近的器件应该尽量做好屏蔽 52RD com 6 馈点的焊盘应该不小于 2mm 3mm 52RD com 7 馈点焊盘 pad 应该居顶 边 52RD com 8 如果测试座布局有困难 也可以放在天线区域 52RD com 9 天线区域可适当开些定位孔 52RD com 10 内置天线周围七毫米内不能有马达 SPEAKER RECEIVER 等较大金属物体 52RD com MONOPOLAR 天线体积稍小 性能较差 一般不建议采用 具体要求如下 52RD com 1 内置天线周围七毫米内不能有马达 SPEAKER RECEIVER 等较大金属物体 52RD com 2 天线的宽度应该不小于 15m 52RD com 3 内置天线附近的结构件 面 不要喷涂导电漆等导电物质 52RD com 4 手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等 52RD com 5 内置天线正上 下方不能有与 FPC 重合部分 且相互边缘距离七毫米以上 52RD com 6 内置天线与手机电池的间距应在 5mm 以上 52RD com 注 LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称 LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中 放置液态的晶体 两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线 透过通电与否来控制杆状水晶 分子改变方向 将光线折射出来产生画面 52RD com LCM 是液晶显示模块的意思 liquid crystal modul 52RD com LCM 它包含了 LCD 及显示控制芯片 RAM ROM 等 52RD com 天线和 天线设计注意事项及比较 52RD com 天线和 天线设计注意事项及比较 52RD com PIFA 和 MONOPOLES 设计注意事项 52RD com 52RD com PIFA 天线基本注意 52RD com 52RD com 1 天线空间一般要求预留空间 W L H 其中 W 15 25mm L 35 45mm H 6 8mm 其 中 H 和天线谐振频率的带宽密切相关 W L 决定天线最低频率 52RD com 52RD com 20mm 30mm 7mm 52RD com 52RD com 双频 GSM DCS 600 6 8mm 52RD com 52RD com 三频 GSM DCS PCS 700 7 8mm 52RD com 52RD com 满足以上需求则 GSM 频段一般可能达 1 0dBi DCS PCS 则 0 1dBi 当然高度越高越好 带宽性能得到保证 52RD com 52RD com 2 内置天线周围七毫米内正下方不能有马达 SPEAKER RECEIVER 等较大金属物体 有 时候有摄相头出现 这时候应该把天线这块挖空 尽量做好摄相头 FPC 的屏蔽 镀银糨 否则 会影响到接收灵敏度 52RD com 52RD com 3 内置天线附近的结构件 面 不要喷涂导电漆等导电物质 52RD com 52RD com 4 手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等 52RD com 52RD com 5 内置天线正上 下方不能有与 FPC 重合部分 且相互边缘距离七毫米以上 52RD com 52RD com 6 内置天线与手机电池的间距应在 5mm 以上 52RD com 52RD com 7 手机 PCB 的长度对 PIFA 天线的性能有重要的影响 目前直板机天线长度 75 105mm 之 间这个水平 52RD com 52RD com 8 馈点的焊盘应该不小于 2mm 3mm 馈点应该靠边缘 52RD com 52RD com 9 天线区域可适当开些定位孔 52RD com 52RD com 10 在目前的有些超薄的滑盖机中 由于天线高度不够 可以通过挖空 PIFA 天线下方主板的地 然后在其背面在加一个金属的片 起到一个参考地的作用 达到满足设计带宽的要求 52RD co 52RD com 11 52RD com 52RD com MONOPOLAR 假天线 天线体积稍小 性能较差 一般不建议采用 具体要求如下 52RD com 52RD com 1 内置天线周围七毫米内不能有马达 SPEAKER RECEIVER 等较大金属物体 52RD com 52RD com 2 天线的宽度应该不小于 15m 52RD com 52RD com 3 内置天线附近的结构件 面 不要喷涂导电漆等导电物质 52RD com 52RD com 4 手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等 52RD com 52RD com 5 内置天线正上 下方不能有与 FPC 重合部分 且相互边缘距离七毫米以上 52RD com 52RD com 6 内置天线与手机电池的间距应在 5mm 以上 52RD com 52RD com 7 Monopole 必须悬空 平面结构下不能有 PCB 的 Ground 一般内置天线必须必须离主板 3mm 水平方向 在天线正下放到地的高度必须保证在 5mm 垂直方向 以上 可以把主板 天线区域的地挖空 目前在超薄的直板机上基本上是满足这个要求 52RD com 52RD com 8 由于 MONOPOLES 天线没有参考地 SAR 一般比 PIFA 天线大 这是测试的难点 但是效率 比 PIFA 天线高 52RD com 52RD com 陶瓷天线 52RD com 52RD com 总结 52RD com 52RD com 多模手机对多频段天线的要求 Monopole 的大带宽和高增益 足以应付 3G 时代跨越 2GHz 的 几百兆带宽需求 内置平面 Monopole 结构灵活 易于与当今多变的手机结构相配合 特别是 在目前市场流行的超薄超小的直板机发挥重要作用 52RD com 52RD com 各位大侠 52RD com 请问以下指标是越大越好还是越小越好 52RD com 空间有效辐射功率 EIRP 52RD com 总的辐射功率 TRP 52RD com 空间有效辐射接收灵敏度 EIS 52RD com 总全向灵敏度 TIS 1 OTA 测试介绍 1 1 手机的无源测试和有源测试 当前在手机射频性能测试中越来越关注整机辐射性能的测试 这种 辐射性能反映了手机的最终发射和接收性能 目前主要有两种方法对手 机的辐射性能进行考察 一种是从天线的辐射性能进行判定 是目前较 为传统的天线测试方法 称为无源测试 另一种是在特定微波暗室内 测试手机的辐射功率和接收灵敏度 称为有源测试 OTA Over The Air 测试就属于有源测试 无源测试侧重从手机天线的增益 效率 方向图等天线的辐射参数 方面考察手机的辐射性能 无源测试虽然考虑了整机环境 比如天线周 围器件 开盖和闭盖 对天线性能的影响 但天线与整机配合之后最终的辐射发射功率和接收灵敏度如何 从无源测试数据无法直接得知 测试数据不是很直观 有源测试则侧重从手机整机的发射功率和接收灵敏度方面考察手机的辐射性能 有源测试是在特定 的微波暗室中测试整机在三维空间各个方向的发射功率和接收灵敏度 更能直接地反映手机整机的辐射性 能 CTIA Cellular Telecommunication and Internet Association 制定了 OTA Over The Air 的相关标准 OTA 测试着重进行整机辐射性能方面的测试 并逐渐成为手机厂商重视和认可的测试项目 1 2 OTA 测试的目的 目前只有通过 FTA Full Type Approval 认证测试的手机型号才能上市销售 在 FTA 测试中 射频性 能测试主要进行手机在电缆连接模式下的射频性能测试 至于手机整机的辐射发射和接收性能 在 FTA 测试中没有明确的规定 而 OTA 测试正好弥补 FTA 测试在这方面测试的不足 同时 终端生产厂家必须 对所生产手机的辐射性能有清楚的了解 并通过各种措施提高手机辐射的发射和接收指标 如果手机辐射 性能不好 将产生手机信号不好 语音通话质量差 容易掉线等多方面的问题 这也是客户投诉比较多的 问题 在手机通话时 由于人脑靠近手机天线 将降低手机的发射和接收性能 手机整机辐射的发射和接 收性能都会降低 在手机研发过程中应定量测量人脑对手机的发射和接收性能的影响 进行优化设计 使 发射和接收性能降低不能太大 即减少人体和天线的电磁耦合效应 为考察手机的辐射性能 除考察手机天线的无源性能之外 整机的有源性能也是一个重要的考察方 面 当前整机有源性能越来越受到终端厂商的重视 因此在手机辐射性能的考察中应将两种辐射性能综合 起来考虑 目前终端天线厂商在研发中一般都要求天线供应商提供无源和有源测试报告 2 OTA 测试及手机其他的主要参数 2 1 OTA 测试中的主要测试参数及相关计算在 OTA 测试中 辐射性能参数主要分为两类 接收参数 和发射参数 发射参数有 TRP NHPRP 接收参数有 TIS NHPIS TRP Total Radiated Power 通过对整个辐射球面的发射功率进行面积分并取平均得到 它反映手 机整机的发射功率情况 跟手机在传导情况下的发射功率和天线辐射性能有关 NHPRP Near Horizon Partial Radiated Power 反映在手机的 H 面附近天线的发射功率情况的参数 TIS Total Isotropic Sensitivity 反映在整个辐射球面手机接收灵敏度指标的情况 它反映了手机整 机的接收灵敏度情况 跟手机的传导灵敏度和天线的辐射性能有关 NHPIS Near Horizon Partial Isotropic Sensitivity 反映手机在 H 面附近天线的接收灵敏度情况的参 数 对于手持终端 OTA 测试中还将考察终端在有模拟人头情况下的上述参数 比较在有无模拟人头情 况下相关参数的变化情况 2 2 其他有关的天线参数 在考察天线性能的时候 还有其他需要了解的参数如 APIP Gain Directivity EIRP ERP Gain dBi 在相同的输入功率下 天线在空间某点的辐射功率与理想无方向性点源天线在同一点的 功率的比值 该增益单位为 dBi 手机天线厂家提供的天线测试报告中的增益一般以 dBi 为单位 Gain dBd 在相同的输入功率下 天线在空间某点的辐射功率与理想半波偶极子天线最大辐射方向 上功率的比值 该增益的单位为 dBd Directivity 在相同的辐射功率下 某天线在空间某点产生的功率与理想无方向点源天线在同一点产 生的功率的比值 Efficiency 天线辐射功率和天线输入功率的比值 APIP Antenna Port Input Power 加入到天线口的功率大小 是 PA 输出到天线口的功率大小 该 功率大小主要跟手机的传导发射功率大小有关 EIRP Effective Isotropic Radiated Power 等效全向辐射功率是天线得到的功率与天线以 dBi 表示 的增益的乘积 反映天线在各个方向上辐射的功率的大小 PEIRP Peak Effective Isotropic Radiated Power 峰值等效全向辐射功率 ERP Effective Radiated Power 的概念与 EIRP 相同 但 ERP 是天线得到的功率与以 dBd 表示的 增益的乘积 3 OTA 测试中的 TRP 和 SAR 指标的制约关系 TRP 反映的是天线远场的辐射性能 而 SAR 反映是天线的近场辐射性能 对于 OTA 中的 TRP 指 标 一般是希望其 TRP 比较大 这样从 PA 出来进入天线的功率才被有效辐射 无线接口的连接性才比 较好 在 SAR 测试中 则希望 TRP 数值比较小 这样被人脑吸收的功率才比较小 保证能通过 SAR 测试标准 因此 TRP 指标与 SAR 指标是一对相互矛盾的指标 在天线设计中如何保证两个指标都达 到相关的