手机天线原理和设计

1、手机天线原理和设计,天线基本概念,?,Return Loss,（回波损耗,S11,）,天线原理,?,Directionality,（方向性系数）,天线辐射方向性参数。天线据此可分全向（,omni-,directional,）和定向（,directional,）。,?,Gain,（增益）,天线增益定义为规定方向的天线辐射强度和参考天线之比。,?,Efficiency,（效率）,Gain,Directionality,Efficiency,Efficiency,Output Power/Input Power,天线原理,?,Polarization,（极化）,天线远场处电矢量轨迹。分线极化、圆极化

2、、椭圆极化。,一般手机外置（,stubby,）天线在,H,面接近线极化，,PIFA,和,Monopole,极,化复杂。,基站入射波为线极化，方向与地面垂直。,XY,平面为,H,面，,YZ,面,E1,面，,XZ,面,E2,面。,基站,X,Y,Z,天线原理,?,一个理论上的各向同,性（,Isotropic,）天线,有全立体角相等的方,向分布。,?,该天线可作为其它天,线的参照。,侧视,(,垂直方向图,),顶视,(,平面方向图,),天线原理偶极天线,?,偶极天线方向图侧视,看来,Isotropic,方向图垂直,方向收到“挤压”，水,平方向则扩大了覆盖范,围。,?,增益越高，垂直方向,波束越窄，水平方

3、向,覆盖面积越大。,侧视,(,垂直方向图,),顶视,(,水平方向图,),dipole (with Gain),垂直波束,全向和定向,?,右上图为一高增益全,向天线。垂直方向波,束窄，阴影为天线不,能覆盖范围。水平方,向则覆盖面积很大。,?,右下图显示方向图被,“挤压”向一个方向，,辐射能量在一定角度,分布较大。而背面能,量分布少。,Area of poor coverage directly under the antenna,Beamwidth,Side View,(Vertical Pattern),Top View,(Horizontal Pattern),?,EIRP,（,Effect

4、ive Isotropic Radiated Power,）,EIRP = transmitter power + antenna gain,cable loss,Power Setting,dBm,100 mW,20 dBm,50 mW,17 dBm,30 mW,15 dBm,Gain 6 dBi Patch,EIRP,6 dBi,26 dBm,6 dBi,23 dBm,6 dBi,21 dBm,20 mW,13 dBm,15 mW,12 dBm,5 mW,7 dBm,1 mW,0 dBm,6 dBi,19 dBm,6 dBi,18 dBm,6 dBi,13 dBm,6 dBi,6 dBm,

5、内置天线分类,?,PIFA,Planar Inverted F Antenna,?,Internal Planar Monopole,内置平面单极天线,?,Internal Helix,内置螺旋天线,手机结构,vs PIFA,天线（直板,机）（一）,?,典型,PIFA,形,式,GSM/DCS,(/PCS),?,位于手机顶部,?,面向,Z,轴正向，,与电池同侧。,手机结构,vs PIFA,天线（直板,机）（二）,L=3540,w=1525,H=68,Feed pin,short pin,Ground,Antenna,手机结构,vs PIFA,天线（直板,机）（三）,?,PIFA,最重要的三个参数

6、,W,，,L,，,H,，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。,?,手机,PCB,的尺寸对,PIFA,有很大影响,?,Shielding Case,对天线的影响,?,手机电池芯对,PIFA,影响强烈。,PIFA,需要的空间和其它条件,?,PIFA,需要的空间大小视乎频段和射频性能的需求。,双频（,GSM/DCS,）：,600,7,8mm,三频（,GSM/DCS/PCS,）：,700,7,8mm,满足以上需求则,GSM,频段一般可能达,1,0dBi,，,DCS/PCS,则,0,1dBi,。,?,天线正下方一般避免安放器件，尤其是,Speaker,和,Vibra

7、tor,?,电池尽量远离天线。一般至少,5mm,以上。,?,天线同侧后盖上不用导电漆喷涂，谨慎使用电镀装饰,。,2,mm,2,mm,天线馈点和接地的摆放,（红色为馈点，蓝色为接地）,手机结构,vs PIFA,天线（翻盖,或滑盖）（一）,?,翻盖手机合,盖状态，天,线表现与直,板机无异。,?,开盖状态，,上下盖,PCB,都为地，天,线由在地顶,端变为处于,地中央。,手机结构,vs PIFA,天线（翻盖,或滑盖）（二）,?,右二图为合、开两,种状态下天线,S11,参数的,Smith,圆图。,右上图为合盖，右,下为开盖。,?,由右图可见两种状,态下天线工作状态,发生较大变化。通,常低频谐振降低。,?

8、,以上二图分别为直板（左）、翻盖（右）,1GHz,时的增,益方向图。,?,由于翻盖打开，增益比直板状态增大了。直板状态全向性,好，翻盖状态则背向增益变小。,PIFA,的局限,?,PIFA,脱胎于带短路微带天线，有带宽窄的先天缺,点。,?,PIFA,增益偏低。,?,结构单调，不易与当今灵活多变的手机结构相适,应。,?,面对,3G,和多模手机的要求，一个手机的天线（组）,必须同时面对,900,（,800,）,MHz,、,1700MHz,2200MHz,如此宽广电磁波谱的要求。,PIFA,显得力,不从心。,内置平面,Monopole,出现的现,实意义,?,多模手机对多频段天,线的要求,?,Monop

9、ole,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,天线低频部分,天线高频部分,PCB,Feed Strip,塑胶支架,38X6X4,从右图可见,?,该种,monopole,保,持了低频,（,1GHz,）工,作频带。,?,高频则可有,着与中心频,率比值,20%,以上、宽达,几百兆工作,带宽。,右图为该天线,模型在,1.8GHz,频,率下的增益,方向图。,?,最大增益,4dBi,。,?,全向性可控,制,内置,Planar Monopole vs,手机,结构设计,?,内置,Planar

10、 Monopole,天线可以比同样工作,频率的,PIFA,小。,?,Monopole,必须悬空，平面结构下不能有,PCB,的,Ground,。,?,Monopole,只需要一个,Feed Point,和,PCB,上,的,Pad,相连。,内置天线结构种类,1.,Stamping,Stamping,热熔到,Housing,内侧，,Stamping,伸出,spring,与手机,PCB,连接,2.,Stamping + Support,Stamping,热熔到,Support,上，连接用,spring,3.,Stamping + Support + Pogo pin (,正、反,),Stamping,热熔到,Support,上，连接用,Pogo Pin,。,正向使用,Pogo Pin,一般适合于带,support,的结构，反向使用都可以。,天线,Pogo Pin,PCB,天线,Pogo Pin,PCB,正向使用,Pogo Pin,的,反向使用,Pogo Pin,的,?,FPC,?,FPC + Support + FPC,连接器,?,FPC + Support + Pogo pin (,正、反,),?,Housing,表面电镀,内置,Helix,类似外置,Helix,内藏于手