淺談手機天線的設(shè)計挑戰(zhàn)與思路

1、    淺談手機天線的設(shè)計挑戰(zhàn)與思路摘要：隨著手機日益普及，用戶對手機的需求也變得越加苛刻起來，小型化，個性化，超薄，旋屏，多功能等等設(shè)計需求旺盛，手機設(shè)計師們面臨的是更加激烈的挑戰(zhàn)，從手機天線的角度來看，手機變得越來越小，頻帶越來越多，帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)也就越大。一、手機天線的發(fā)展趨勢目前手機上廣為應(yīng)用的小型內(nèi)置天線，多為PIFA型天線，因型似倒置大寫字母“F”而得名，PIFA天線的輻射體被安裝在接地層的正上方，使用時天線輻射片與人摘要：隨著手機日益普及，用戶對手機的需求也變得越加苛刻起來，小型化，個性化，超薄，旋屏，多功能等等設(shè)計需求旺盛，手機設(shè)計師們面

2、臨的是更加激烈的挑戰(zhàn)，從手機天線的角度來看，手機變得越來越小，頻帶越來越多，帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)也就越大。一、手機天線的發(fā)展趨勢    目前手機上廣為應(yīng)用的小型內(nèi)置天線，多為PIFA型天線，因型似倒置大寫字母“F”而得名， PIFA天線的輻射體被安裝在接地層的正上方，使用時天線輻射片與人腦之間正好相隔PCB板，這樣就大大降低了輻射對人腦的影響，同時，PIFA天線兼顧天線小巧，結(jié)構(gòu)易實現(xiàn)，外觀等級要求不高，天線生產(chǎn)一致好等等諸多特點，至今依然在手機內(nèi)置天線市場上，屬于主流設(shè)計。    隨著手機進一步普及，用戶不在局限于手機基本通訊功能，對手機

3、外觀與功能的需求變得挑剔起來，傳統(tǒng)PIFA天線方案由于體積的局限，顯然不能滿足天線射頻要求，也給天線設(shè)計者帶來更大的挑戰(zhàn)。二，當(dāng)前手機天線設(shè)計挑戰(zhàn)及存在問題    小型內(nèi)置型手機天線為電小類天線，各方向的輻射性能差異不大，從最終整機的OTA的測試性能來講，小型內(nèi)置天線，有兩個非常重要的性能指標(biāo)分別為效率與帶寬。作為手機的一部分，手機天線最終性能如何，除了與手機的接收機的性能好壞有關(guān)外，更為關(guān)鍵的是手機本身的射頻環(huán)境，以下列出當(dāng)前手機天線設(shè)計過程中存在的設(shè)計挑戰(zhàn)與問題。1.  超薄迷你型手機    手機厚度不足，主板長度不足，

4、致天線有效空間不足，天線效率不足2.  多頻天線    GSM850、GSM900、DCS、PCS、TDS-CDMA、WCDMA、CDMA2000等等或其中三種以上制式的組合，如GSM850、GSM900、DCS、PCS致天線帶寬不足3. 手機造型奇特    旋蓋，旋屏，滑蓋，翻蓋，或其中任意組合，天線在手機中的位置不利及有效空間不足, 致天線效率、帶寬不足4. 手機外觀多為金屬配件或含有金屬成分的裝飾器件    金屬器件特別是靠近天線的金屬器件，或者未處理好接地的金屬器件對天線產(chǎn)生的影響非常大

5、，導(dǎo)致天線效率、帶寬不足5. 手機內(nèi)部空間布局緊湊天線周圍布滿各類器件，如speaker、camera、LED、mic、鍵盤板等等，影響天線的性能。三、優(yōu)化天線性能的思路1、 天線外在的環(huán)境處理1.1     去除不必要的金屬地，天線面投影處全部凈空，采用monopole天線方案，提高天線效率，monopole天線所需體積與PIFA相比更加小巧，通過去除輻射片下面PCB的地層，減少輻射片與PCB板地之間的耦合，大大減少了對天線實際的體積需求，從而使monopole天線達到PIFA天線自由空間的同等效果，且需求的體積不足PIFA一半,但缺少的PC

6、B地層的阻隔，monopole天線對人腦的輻射比較大，同時，人手與人腦對天線諧振的影響相對比PIFA而言也比較大。1.2     延長手機的板長，對于超小迷你型手機，作為天線的輻射體一部分的PCB，其板長對手機天線影響也猶為重要，正常手機寬度在為40mm情況下，PCB相對工作波長系數(shù)為0.4時，天線lowband900Mhz與upper band1800Mhz相對帶寬呈現(xiàn)最大峰值。2、 天線的材料選擇，選擇更好的材料，提升天線性能。2.1 導(dǎo)電材料的選擇    不同的導(dǎo)電材料對天線最終性能的影響也是很明顯的，在種種

7、環(huán)境約束的情況下，選擇一種適當(dāng)?shù)牟牧峡赡苁墙鉀Q問題的最佳思路，那么，在選擇前了解每一種導(dǎo)電材料對小型內(nèi)置天線性能的影響，也顯得特別重要，以下表是常見各類導(dǎo)電材料對傳統(tǒng)PIFA天線性能的影響的相應(yīng)關(guān)系。以下測試數(shù)據(jù)基于:PCB尺寸(單位:mm)：40*100*1;PIFA天線尺寸(單位:mm)：40*20*7天線支架：ABS 材料        電導(dǎo)率    106 S/m        

8、低頻    效率峰值        高頻    效率峰值         銀        61.73        59%      &#

9、160; 77%         銅        58.13        56%        76%         金     &#

10、160;  40.98        56%        75%         鎳        14.49        51%    

11、;    72%         鉻鎳        1.37        38%        57%表1，典型導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率&峰值效率2.2 介電材料的選擇    工程上通常采用各種塑料

12、作為天線支架及手機外殼，理想情況下，輻射體在沒在塑料支架作為支撐及外附時，可達到最佳的輻射性能，但為了滿足一定的機械與環(huán)境測試要求，選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)作為天線支架與外附件也是必不可少的，可根據(jù)實際情況要求，選擇介電常數(shù)高，但介質(zhì)損耗低的材料，這樣天線可以在最小的損耗的情況下盡可能的小型化，如陶瓷天線。3、 突破現(xiàn)有無源天線設(shè)計思路局限，采用有源天線方案。3.1開關(guān)天線    通常我們所見的PIFA天線諧振點是不變的，但開關(guān)天線的通過開關(guān)切換天線的諧振點，讓天線工作在我們所需要的頻段上面，采用這種思路，可以在相對有限的空間下，如同樣在PIFA需要雙頻的空間40

13、*7*20mm下, 輕松實現(xiàn)四頻（GSM850、GMS900、DCS、PCS），甚至到五頻（GSM850、GMS900、DCS、PCS、WCDMA），使天線自由切換在GSM的四頻頻段，及WCDMA之間，達到良好的射頻性能。在普通PIFA天線邊上多加一個耦合片，通過切換點接入開關(guān)電路，選擇不同的長度傳輸線等效成不同感抗值，以改變天線的等效阻抗，調(diào)整天線工作諧振，從而達到實現(xiàn)四頻、五頻功能，開關(guān)天線基于可重構(gòu)天線的理念3.2 電調(diào)諧天線    電調(diào)諧天線基本原理與前者相同，不同的是電調(diào)諧天線可以實現(xiàn)讓天線諧振點微調(diào)到所設(shè)計的頻帶內(nèi)每個點，且達到最好的阻抗匹配、最佳的輻射的性能，如下圖，通過電壓調(diào)整變?nèi)荻O管改變切換點的接入阻抗，以改變天線的等效阻抗，從而達到實現(xiàn)從470Mhz到800Mhz的CMMB頻段的最佳內(nèi)置天線方案。  圖1 電調(diào)諧CMMB天線參考文獻1劉學(xué)觀，郭輝萍，微波技術(shù)與天線 2001 西安電子科技大學(xué)出版社，2 Hirasawa