手机天线基础知识

.,天线基础知识,.,什么是天线?,天线是用来接收发射电磁波的设备.它工作在一个相对比较窄的频段范围内.900频段880M-960M1800频段1710M-1880M850频段824M-894M1900频段1850M-1990MCDMA800824M-894MWCDMA1920-1980MHz/2110-2170MHzTD-SCDMA1880-1920MHz、2010-2025MHz2300-2400MHz,.,电磁波,电磁波通常指的就是无线电波,它是以光的速度传播.V=*f(v:速度,:波长f:频率)例如:900Mhz的波长:=V/F=3*108/9*108=0.33m=33cm,.,介质,介电常数r=1.真空的介电常数为1.介电常数越大,波长就越短.选择高介电常数的介质可以减小天线的空间.但是会造成带宽比较窄,能量储存在介质中,不利于能量的有效辐射.,.,ReturnLoss和VSWR,RTL=10log(Pout/Pin)=10log2VSWR=(1+)/(1-)(为反射系数)例如:VSWR=3,=0.5,RTL=10log2=-6.,.,RTL和VSWR对应表,.,天线效率,天线效率是指有效输出功率和输入功率的比值.Eff=Pr/Pt.(Pr是辐射功率,Pt是总的输入功率),.,GAIN,EFF,Directivity,GAIN:天线的增益,一般用dB来表示.Directivity:天线的方向性.G=EFF*D,.,TRP,EIRP,TIS,EIS,TRP:TotalRadiatedPower.EIRP:EffectiveisotropicRadiatedPowerTIS:TotalIsotropicSensitivityEIS:EffectiveIsotropicSensitivity.,.,SAR,SAR:SpecificAbsorptionRateSAR是用来测量有多少能量被人体组织吸收.是用一种特定的系统来测量.(DASY3,DASY4)一般是是以1g或10g的大小为单位来测量.欧洲对SAR的要求是2.0W/KG,美洲为1.6W/KG.,.,功能测试的趋势和标准,天线会越来越多.(BT,FM,WIFI,AM,RFID,WIMAX,DVB等)测试的项目会越来越多(TRP,TIS,EMC,ESD,EMI等)SAR和HAC的测试会越来越普及.测试标准-CTIA.,.,Gpattern,典型的形状如下:,.,手机天线设计要领,.,HowtodesignaGOODinternalantenna?如何设计一个好的内置天线,.,PIFA,shortcircuited/4resonatorcompactstructure（短接电路/4谐振片紧凑的结构）omnidirectionalinhorizontalplane（水平面的全方向性）co-andcrosspolarisations（同向和交叉极化）Multiresonant（多谐的）,.,NumberONErule(首要规则),Whendesigninganykindofsmallantennaforthemobilephone,itsimportanttostartdesigningtheantennaTOGETHERwiththeantennamanufacturerinveryearlystatetoachievethebestpossibleperformance,andwhenconcerninginternalantennasthisisevenMOREimportant（在设计任何种类的移动电话天线时，为了得到尽可能最好的性能，和天线制造商在最初阶段一起开始设计天线是很重要的，这对于内置天线来说尤为重要。）,.,Useallspaceyouhave:BIGsizeisbeautifulwhenconcerningantennasperformance（使用尽可能多的空间：对于天线的性能来讲，尺寸越大越好。）,RuleNo.2（规则2）,.,RuleNo.3（规则3）,Payspecialattentiontoantennasheight(distancebetweenradiatorandground)BANDWIDTH!（请密切注意天线的高度（发射片和接地片的距离）带宽）,.,RuleNo.4（规则4）,Alsothelengthofthechassishasaremarkableeffectontheperformanceoftheantenna手机的长度对于天线的性能有着显著的影响,.,RuleNo.5（规则5）,KeepALLmetalsasfaraspossiblefromtheantenna,atleastasfarasgroundplaneis（所有的金属应尽可能的远离天线，至少象接地片一样远。）,.,RuleNo.6（规则6）,Locatefeedingandshortcircuitingpadsneartheedgeofthegroundplane(phonesPCB).ForspringcontactsthedistancebetweenbendingpointandPCB-padshouldbe45mm.（把馈点和短接电路点接近于接地片的边缘（手机的PCB板），对于弹簧片接触来说，弯折点和PCB焊点的距离应为45毫米）,.,RuleNo.7（规则7）,Dont“shield”padsortrytominimizeshielding（不要屏蔽焊点或是试图减少遮护板）,.,RuleNo.8（规则8）,Lettheradiatorsedges“see”freeedgeofgroundplaneasmuchaspossible,maybeevenreachoverthegroundplanesedge（发射片的边缘尽可能接近接地片的边缘，甚至发射片可以超出接地片的边缘）,.,RuleNo.9（规则9）,Allmetalsofthechassishavetobeproperlygroundedtoavoidpowerlossesandadditionalnon-radiatingresonances.PayspecialattentiontoRF-gaskets.（手机的所有金属必须正确的接地，避免能量损失，和附加的不辐射的谐振。关注射频垫圈。）,.,RuleNo.10(规则10),Letthespacebetweenradiatorandgroundplanebefilledwithairasmuchaspossible,inotherwordsuseaslittlesupportmaterialaspossible（使发射片和接地片之间的空间尽可能多地被空气填充，即使用尽可能少的支撑物。）,.,翻盖机和滑盖机天线设计总结,.,滑盖机天线位置的放置,滑盖机天线位置一般为PCB的上端或下端。天线尽量露出PCB一些，以利于天线的辐射。天线应该尽量避免放在PCB的中间。,.,天线在上端（一）,天线放在PCB上端时，常出现的问题：（1）天线通常使用PIFA天线。?（2）手机处于打开状态时，低频功率不能有效辐射出去。（3）在合盖状态，低频功率由于受到板长不够的影响而不是很好。（4）滑轨的影响很大（通常需要尝试不同地方的接地点）。（5）滑轨FPC对天线性能的影响比较大。,.,天线在上端（二）,对于以上问题，在天线设计中注意的事项：（1）保证天线的空间，尤其是天线的高度。（2）天线开口尽量开在上边和边上，这样有利于低频功率的有效辐射。（3）FPC要保持足够好的接地状态。（4）导轨要预留足够多的接地点。,.,天线在下端,天线设计形式可以为PIFA或者MONOPOLE。PIFA要求天线空间比较大，所以MONOPOLE用的比较多。滑轨需要充分接地。FPC需要有良好的接地。SAR会比较小，但人体对性能的影响比较大。此种结构的天线总体性能比较好。,.,翻盖机天线放置的位置（一）,天线放置位置1的优点：手的影响比较小。天线放置位置1的缺点：需要的射频线比较长，所以损耗比较大。射频线很难有良好的接地。成本比较高。,.,翻盖手机天线位置的放置（二）,位置2的优点：射频线容易走线，且成本相对较低。没有其他传输线外的损耗。位置2的缺点：手指的影响比较大。MONOPOLE结构的天线，在合盖的时候性能相对较差。,.,翻盖手机天线位置的放置（三）,位置3的优点：射频线容易走线。没有其他传输线外的损耗。合盖时候性能较好。SAR比较小。位置3的缺点：手的影响比较大。打开时低频的性能比较差，需要在转轴处做处理。,.,手机评估要求,.,直板机PIFA天线的评估,直板机PIFA天线一般布局在上端，受人体影响小。SAR值一般能满足美标（1.6W/kg）或欧标（2.0W/kg）。PIFA天线实现双高频（如1800&1900）或更多频段须采用短路寄生方式，最简单也最有效。馈点放中间，短路点放两边，同时PAD最好能横排放置，不要竖排放置。考虑到短路寄生的效果，支架上的一些开孔（如测试Connector、Camera、Speaker等）要距离馈点10mm.PIFA天线下方常有较多的器件：Speaker和Receiver的影响可以通过串联电感的方式来降低，元件位置尽量靠近引线PAD；Camera影响不大，忽略不计；天线尽量不要在马达上方布线，避免降低效率；SIM卡座部放到天线下方有可能影响到天线灵敏度。考虑到手机厚度的问题，部分PIFA天线通过镂空主板地，PCB板下方连接金属片作为参考地的方式来满足PIFA天线高度要求。这种设计需注意两个问题：一是天线到实际主板的高度不能太低，最好在4mm以上，否则带宽和性能都会受到极大影响；二是作为参考地的金属片与主板地要充分连接，尽量多处连接，连接处的宽度在3mm以上。,.,.,直板机Monopole天线的评估,直板机Monopole天线分为上端和下端两种布局。天线所需空间相同。需注意的是，测试Connector和匹配经常占用主板镂空区域，如果占用过多，则容易降低带宽和性能。建议测试Connector和匹配的地到天线竖直面最少5mm以上。Monopole天线放在上端，SAR容易超标，同时周围的Receiver和Speaker容易造成干扰，须串联电感改善。无论是PIFA还是Monopole天线，放在手机上端都容易受到LCD干扰，可以通过用金属框包裹LCD的方式来改善，有时LCD背面与主板地充分连接也可以降低干扰。Monopole天线放在下端可以有效的降低SAR值，但容易受人体影响，MIC和馈点要放在主板两侧，保持最远。MIC如有干扰，也可通过串联电感的方式来改善。Monopole天线位于下端，键盘板也需要镂空同样的范围，按键可以保留，但镂空区域内按键之间的连线要尽量少，特别是电源线。键盘本身有时也会对天线产生干扰，要保证键盘板与主板地之间的充分连接。,.,.,翻盖机PIFA天线的评估,由于超薄手机的盛行，翻盖机PIFA现在设计很少，一般在下板上端，不建议放在下板下端，这样受人体影响太大。本类设计主要注意的是天线区域器件的影响，如Speaker、马达等。总体设计注意事项同直板机PIFA天线设计。,.,翻盖机Monopole天线的评估,翻盖机Monopole有两种设计：主板上端和主板下端。Monopole天线在主板上端比较容易实现，除了镂空和周围器件的布局外，需要注意的是PFC与转轴的布局位置。PFC的卡扣和走线要与馈点在主板左右两侧，不能重叠。Monopole天线在主板下端则难度较大，除了镂空和周围器件的布局外，还需注意前板需镂空一定的范围，保证闭合的性能。Monopole天线在下端最主要的问题在于前后板延伸地的处理。根据仿真的结果，普通设计中前后板只用一条FPC连接，板上电流在通过FPC时方向发生偏移，造成低频段的方向图不规则，性能下降2-3dB。解决此问题有几种方法：一是前后壳都为金属材质并接地，保证在前后板不接地的情况下，地通过金属壳也可以导通；二是在Hinge处再增加一条连接前后板的FPC，这种结构设计上不好实现；三是前后板各焊接一个3mm以上宽度的金属弹片，与金属Hinge连接导通，这是目前较常用的方式。,.,.,滑盖机PIFA天线的评估,由于超薄手机的盛行，现在翻盖和滑盖机使用PIFA的形式越来越少，而且滑盖机有其固有的缺陷，是最难设计的手机形式之一。滑盖机PIFA形式的缺陷主要有两点：一是打开状态比闭合状态要差，包括带宽和性能，通常来说，建议滑盖机PIFA形式只做双频或三频，不推荐做过多的频段；二是滑轨和FPC对性能影响较大，稳定性也较差，要根据实际调试情况来处理滑轨和FPC，FPC的卡扣最好不要太靠近天线区域。通常情况下，滑盖机PIFA天线都是做在主板上端。同样的设计条件下，其效率比直板机差5%-10%。闭合情况下，滑盖机PIFA形式性能可参考直板机。,.,滑盖机Monopole天线的评估,滑盖机采用Monopole天线是目前常用的设计，一般在主板底端。也有很少案例Monopole天线位于主板上端，如LG巧克