《手机天线设计讲义.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《手机天线设计讲义.ppt（52页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、手机天线设计,调查,看过Antenna设计标准的请举手。,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）GainDirectionality EfficiencyEfficiencyOutput 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、椭圆极化。一般手机外置
2、（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。,天线原理偶极天线,偶极天线方向图侧视看来Isotropic方向图垂直方向受到“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，水平方向覆盖面积越大。,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
3、一定角度分布较大。而背面能量分布少。,EIRP,EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）EIRP=transmitter power+antenna gain cable loss,关于SAR,SAR：Specific Absorption Rate（特定吸收率），SAR的计量方法是：每Kg的物质在单位时间内接受的电磁能量，SAR的计量单位是：W/Kg。我国对SAR采用的标准是从手持无线通讯设备到使用者的辐射限制在1W/Kg以内；国际无电离辐射保护协会(ICNIRP)的限制标准是2W/Kg；美国的限制标准是1.6W/Kg,手机天线分类,根据结构方式分为内
4、置和外置,外置天线分类,螺纹连接螺钉连接卡扣连接,内置天线分类,假内置PIFA（Planar Inverted F Antenna）Internal Planar Monopole内置平面单极天线Internal Helix（内置螺旋天线）Furukawa（古河）Chipset天线BT&WIFI,尺寸：13mmX直径6.0设计要求：1）一般放置在主板Top端，在径向方向直径8mm的空间内不允许存有器件；2）天线端部同LCD金属支架距离应大于0.8mm。避免外观有大面积的金属效果、IMD的金属效果，Yodel IML导致效率特别低；3）天线弹片的臂尽可能的长，防止塑性变形导致接触不良；4）本身自
5、带支架，通过螺钉将其固定与壳体上，同时本体部分需要筋来支撑；5）Z向尽可能靠近后壳，一般本体部分高于PCB。,I：假内置,假内置：天线弹片设计,Yoyo两种天线弹片设计的对比：,几乎没有弹力臂,有有限的弹力臂,假内置的应用范围,由于其体积小，特别适用于追求外观小巧并且对天线效率要求不高的手机GSM最好时30%，DCS最好为20%-25%,II：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（Bottom面）。,PIFA天线（直板机）（二）,L=3540,w=1525,H=68,Feed pin,short pin,Ground,A
6、ntenna,PIFA天线（直板机）（三）,PIFA最重要的三个参数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对PIFA影响强烈。电池内有PCB（接地金属面）和电池芯（有耗导电体）。,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 78mm三频（GSM/DCS/PCS）：700 78mm满足以上需求则GSM频段一般可能达10dBi，DCS/PCS则01dBi。天线正下方一般避免安放器件，尤其是Speaker和Vibrat
7、or（如果需要，要供应商评估）电池尽量远离天线，Motor等，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。,PIFA天线馈点和接地的摆放（红色为馈点，蓝色为接地）,馈点选在靠近中间的PAD，接地点为边沿PAD,PIFA天线,PIFA天线材料：FPC、铜和不锈钢，也有采用导体材料双料注塑接触点：一般采用Pogopin，比弹片接触可靠,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。,PIFA天线（翻盖或滑盖）（二）,翻盖手机，LCD部分和键盘部分都有PCB，通过FPC连接。有4个区域可以
8、放置内置天线。下表列出了每种方式的优缺点：,“手的影响”是指用户的手的握持将会引起共振频率的偏移，发射和接受也会变的不稳定。“头的影响”包括共振频率的偏移以及SAR的增加。线的长度对于天线与PCB之间的信号传输的损耗有影响。线的长度较长的时候，信号的功率就变低。上表显示，天线的最佳位置是“键盘部分的顶端”。,PIFA天线（翻盖或滑盖）（三）,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。,PIFA天线,通常，天线带宽和增益有如下关系：G（增益）B（带宽）正比V（体积）从这个表达式我们可以看出，我
9、们应该增加天线的体积来扩宽天线的带宽同时又不降低天线的增益。辐射器的区域以及天线的厚度限定了天线的体积。,PIFA天线增加带宽的方法,天线高度8mm时才能达到3频天线的要求，但手机要求厚度越来越小，给出8mm的厚度空间给天线是不合适的。实验中发现当缩短PCB的Ground plane大于10mm时，35mm*12mm*5mm的天线可以达到规格化带宽25%，获得很好的天线性能。（前提条件是PCB的长度应该大于80mm）,PIFA天线,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
10、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、1700MHz2200MHz如此宽广电磁波谱的要求。PIFA显得力不从心。,III：Monopole天线,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,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
11、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,Monopole 设计要求,Monopole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，至少5mm的净空区 Monopole只需要一个Feed Point和PCB上的Pad相连。电镀件对天线的RF性能有很大的影响 距离电芯6-8mm以上，三频8-10mm以上；一般要求长宽分别在32mm和7mm以上，同时距离最近的金属物体（包括speaker）6mm以上；,
12、PIFA和Moropole连接方式,Stamping（金属）Stamping热熔到Housing内侧，Stamping伸出spring与手机PCB连接Stamping+Support（金属）Stamping热熔到Support上，连接用springStamping+Support+Pogo pin(正、反)（金属）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,FPCFPC+Suppo
13、rt+FPC连接器FPC+Support+Pogo pin(正、反)Housing表面电镀,IV：内置Helix,类似外置Helix内藏于手机壳内金属线Helix嵌入塑料内模，轴线平行于PCB平面，竖直装载于PCB顶端。金属线Helix嵌入塑料内模，轴线平行于PCB平面，平行装载于PCB顶端。以上实际RF效果均不够理想。一般辐射效率在20%。优点在于可以利用以往的外置天线手机主板设计，稍加修改快速设计出一款内置天线手机。,V：Furukawa,尺寸：（宽）一般放置在主板的Top端，靠近侧面的效果会更好。径向从边算起直径6mm空间内不要摆放元件古河天线的下方PCB不允许过线供应商要求的三角区域不
14、准摆放器件CDMA不能用直接SMT到PCB上，为防止跌落时受冲击脱落，可以通过点胶或者顶部用泡棉压的方式进行保护。注意要用白色的泡棉。,Furukawa设计要求（一）,Furukawa设计要求（二）,Furukawa设计要求（三）,Furukawa设计要求（四）,Furukawa设计要求（五）,A)到天线2mm以内的GND为2层构造。B)请将匹配电路接口设置为5个（尺寸为1005）。C)天线的正下方不要放置电线。D)图中a和b两个地方应连接在一起。（宽度应超过0.5mm）E)距离天线3mm以内的零件必须与GND连接（零件高度在2mm以内）。F)高度在2mm以上的零件，即使可以接地，也要距离天线
15、3mm以上。G)不能接地的部件最好距离天线6mm以上（建议摄像头在6mm以外）。H)应剪掉GND的一角，大小为C2.5。I)FPC等放在给电一侧。,VI：Chipset天线,体积小，布局有利直接SMT到PCB上，结构上不需要其它的固定方式,Chipset天线的设计（一）,Chipset天线的设计（二）,A）距离天线的器件要有9mm以上，包括正面和反面的元器件。B）天线顶面的金属件要距离7mm以上。C）距离天线背面的元气件要离PCB 5mm以上。D）FPC穿过的地方要远离天线至少5mm，而且要远离馈点一端。E）如果天线背面有camera，将会对天线产生较大影响。F）PCB的长度最好在80mm以上
16、。,Chipset天线的设计（三）,Chipset天线的设计（四）,VII：BT&Wifi,BlueToothWIFI(VOIP,通过WLAN无线局域网发射）实际上他们都属于Chipset antenna.,BT&Wifi,WIFIVoIP（Voice Over IP）话音转换成 IP 数据包在互联网上传输的技术。全球第一款GSM+WIFI手机WIFI和GSM的无缝切换（30ms）,天线设计的一般性要求,1，靠近天线的结构件，一般采用白色或者透明的颜色，否则对天线有影响。1）同时ABS对天线有5%的影响，PC最好。2）IMD/IML工艺若Foil大面积使用银膜（内含金属颗粒）会影响天线效率，如GYM，Yodel等。前期要求Vendor提供Foil的成分和物性说明，给硬件评估风险 3）附近的黑色Foam因为含碳（金属颗粒），也不可。可以采用白色Foam或Rubber等。,End,Thanks!,
