手機天線設計講義課件

手機天線設計

手機天線設計調(diào)查看過Antenna設計標準的請舉手。調(diào)查看過Antenna設計標準的請舉手。天線基本概念ReturnLoss（回波損耗S11）天線基本概念ReturnLoss（回波損耗S11）天線原理Directionality（方向性系數(shù)）

天線輻射方向性參數(shù)。天線據(jù)此可分全向（omni-directional）和定向（directional）。Gain（增益）

天線增益定義為規(guī)定方向的天線輻射強度和參考天線之比。Efficiency（效率）

Gain＝Directionality×Efficiency Efficiency＝OutputPower/InputPower天線原理Directionality（方向性系數(shù)）天線原理Polarization（極化）

天線遠場處電矢量軌跡。分線極化、圓極化、橢圓極化。 一般手機外置（stubby）天線在H面接近線極化，PIFA和Monopole極化復雜。 基站入射波為線極化，方向與地面垂直。

XY平面為H面，YZ面E1面，XZ面E2面?；綳YZ天線原理Polarization（極化）基站XYZ天線原理一個理論上的各向同性（Isotropic）天線有全立體角相等的方向分布。該天線可作為其它天線的參照。側(cè)視(垂直方向圖)頂視(平面方向圖)天線原理一個理論上的各向同性（Isotropic）天線有全立天線原理－偶極天線偶極天線方向圖側(cè)視

看來Isotropic方向圖垂直方向受到“擠壓”，水平方向則擴大了覆蓋范圍。增益越高，垂直方向波束越窄，水平方向覆蓋面積越大。側(cè)視(垂直方向圖)頂視(水平方向圖)dipole(withGain)垂直波束天線原理－偶極天線偶極天線方向圖側(cè)視側(cè)視(垂直方向圖)頂視(全向和定向右上圖為一高增益全向天線。垂直方向波束窄，陰影為天線不能覆蓋范圍。水平方向則覆蓋面積很大。右下圖顯示方向圖被“擠壓”向一個方向，輻射能量在一定角度分布較大。而背面能量分布少。AreaofpoorcoveragedirectlyundertheantennaBeamwidth全向和定向右上圖為一高增益全向天線。垂直方向波束窄，陰影為天EIRPEIRP（EffectiveIsotropicRadiatedPower）

EIRP=transmitterpower+antennagain–cableloss

PowerSettingdBm100mW20dBm50mW17dBm30mW15dBmGain@6dBiPatchEIRP6dBi26dBm6dBi23dBm6dBi21dBm20mW13dBm15mW12dBm5mW7dBm1mW0dBm6dBi19dBm6dBi18dBm6dBi13dBm6dBi6dBmEIRPEIRP（EffectiveIsotropic關于SARSAR：SpecificAbsorptionRate（特定吸收率），SAR的計量方法是：每Kg的物質(zhì)在單位時間內(nèi)接受的電磁能量，SAR的計量單位是：W/Kg。我國對SAR采用的標準是從手持無線通訊設備到使用者的輻射限制在1W/Kg以內(nèi)；國際無電離輻射保護協(xié)會(ICNIRP)的限制標準是2W/Kg；美國的限制標準是1.6W/Kg關于SARSAR：SpecificAbsorptionR手機天線分類根據(jù)結(jié)構(gòu)方式分為內(nèi)置和外置手機天線分類根據(jù)結(jié)構(gòu)方式分為內(nèi)置和外置外置天線分類螺紋連接螺釘連接卡扣連接外置天線分類螺紋連接內(nèi)置天線分類假內(nèi)置PIFA（PlanarInvertedFAntenna）InternalPlanarMonopole

內(nèi)置平面單極天線InternalHelix（內(nèi)置螺旋天線）Furukawa（古河）Chipset天線BT&WIFI內(nèi)置天線分類假內(nèi)置尺寸：13mmX直徑6.0設計要求：1）一般放置在主板Top端，在徑向方向直徑8mm的空間內(nèi)不允許存有器件；2）天線端部同LCD金屬支架距離應大于0.8mm。避免外觀有大面積的金屬效果、IMD的金屬效果，YodelIML導致效率特別低；3）天線彈片的臂盡可能的長，防止塑性變形導致接觸不良；4）本身自帶支架，通過螺釘將其固定與殼體上，同時本體部分需要筋來支撐；5）Z向盡可能靠近后殼，一般本體部分高于PCB。I：假內(nèi)置尺寸：13mmX直徑6.0I：假內(nèi)置假內(nèi)置：天線彈片設計Yoyo兩種天線彈片設計的對比：幾乎沒有彈力臂有有限的彈力臂假內(nèi)置：天線彈片設計Yoyo兩種天線彈片設計的對比：幾乎沒有假內(nèi)置的應用范圍由于其體積小，特別適用于追求外觀小巧并且對天線效率要求不高的手機GSM最好時30%，DCS最好為20%-25%假內(nèi)置的應用范圍由于其體積小，特別適用于追求外觀小巧并且對天II：

PIFA天線（直板機）（一）典型PIFA形式,GSM/DCS(/PCS)位于手機頂部面向Z軸正向，與電池同側(cè)（Bottom面）。II：PIFA天線（直板機）（一）典型PIFA形式,GSMPIFA天線（直板機）（二）L=35~40w=15~25H=6~8FeedpinshortpinGroundAntennaPIFA天線（直板機）（二）L=35~40w=15~25H=PIFA天線（直板機）（三）PIFA最重要的三個參數(shù)

W，L，H，其中H和天線諧振頻率的帶寬密切相關。W、L決定天線最低頻率。手機PCB的尺寸對PIFA有很大影響ShieldingCase對天線的影響手機電池對PIFA影響強烈。

電池內(nèi)有PCB（接地金屬面）和電池芯（有耗導電體）。PIFA天線（直板機）（三）PIFA最重要的三個參數(shù)PIFA需要的空間和其它條件PIFA需要的空間大小視乎頻段和射頻性能的需求。

雙頻（GSM/DCS）：600×7～8mm

三頻（GSM/DCS/PCS）：700×7～8mm

滿足以上需求則GSM頻段一般可能達－1～0dBi，DCS/PCS則0～1dBi。天線正下方一般避免安放器件，尤其是Speaker和Vibrator（如果需要，要供應商評估）電池盡量遠離天線，Motor等，一般至少5mm以上。天線同側(cè)后蓋上不用導電漆噴涂，謹慎使用電鍍裝飾。PIFA需要的空間和其它條件PIFA需要的空間大小視乎頻段和PIFA天線饋點和接地的擺放

（紅色為饋點，藍色為接地）饋點選在靠近中間的PAD，接地點為邊沿PAD

PIFA天線饋點和接地的擺放

（紅色為饋點，藍色為接地）饋點PIFA天線PIFA天線材料：FPC、銅和不銹鋼，也有采用導體材料雙料注塑接觸點：一般采用Pogopin，比彈片接觸可靠PIFA天線PIFA天線材料：FPC、銅和不銹鋼，也有采用導PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（一）翻蓋手機合蓋狀態(tài)，天線表現(xiàn)與直板機無異。開蓋狀態(tài)，上下蓋PCB都為地，天線由在地頂端變?yōu)樘幱诘刂醒?。PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（一）翻蓋手機合蓋狀態(tài)，天線表現(xiàn)與PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（二）

翻蓋手機，LCD部分和鍵盤部分都有PCB，通過FPC連接。有4個區(qū)域可以放置內(nèi)置天線。下表列出了每種方式的優(yōu)缺點：“手的影響”是指用戶的手的握持將會引起共振頻率的偏移，發(fā)射和接受也會變的不穩(wěn)定?！邦^的影響”包括共振頻率的偏移以及SAR的增加。線的長度對于天線與PCB之間的信號傳輸?shù)膿p耗有影響。線的長度較長的時候，信號的功率就變低。上表顯示，天線的最佳位置是“鍵盤部分的頂端”。

PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（二）翻蓋手機，LCD部PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（三）右二圖為合、開兩種狀態(tài)下天線S11參數(shù)的Smith圓圖。右上圖為合蓋，右下為開蓋。由右圖可見兩種狀態(tài)下天線工作狀態(tài)發(fā)生較大變化。通常低頻諧振降低。PIFA天線（翻蓋或滑蓋）（三）右二圖為合、開兩種狀態(tài)下天線PIFA天線通常，天線帶寬和增益有如下關系：

G

（增益）B（帶寬）正比V（體積）從這個表達式我們可以看出，我們應該增加天線的體積來擴寬天線的帶寬同時又不降低天線的增益。輻射器的區(qū)域以及天線的厚度限定了天線的體積。

PIFA天線通常，天線帶寬和增益有如下關系：PIFA天線增加帶寬的方法天線高度8mm時才能達到3頻天線的要求，但手機要求厚度越來越小，給出8mm的厚度空間給天線是不合適的。實驗中發(fā)現(xiàn)當縮短PCB的Groundplane大于10mm時，35mm*12mm*5mm的天線可以達到規(guī)格化帶寬25%，獲得很好的天線性能。（前提條件是PCB的長度應該大于80mm）

PIFA天線增加帶寬的方法天線高度8mm時才能達到3頻天線的PIFA天線以上二圖分別為直板（左）、翻蓋（右）@1GHz時的增益方向圖。由于翻蓋打開，增益比直板狀態(tài)增大了。直板狀態(tài)全向性好，翻蓋狀態(tài)則背向增益變小。PIFA天線以上二圖分別為直板（左）、翻蓋（右）@1GHz時PIFA的局限PIFA脫胎于帶短路微帶天線，有帶寬窄的先天缺點。PIFA增益偏低。結(jié)構(gòu)單調(diào)，不易與當今靈活多變的手機結(jié)構(gòu)相適應。面對3G和多模手機的要求，一個手機的天線（組）必須同時面對900（800）MHz、1700MHz～2200MHz如此寬廣電磁波譜的要求。PIFA顯得力不從心。PIFA的局限PIFA脫胎于帶短路微帶天線，有帶寬窄的先天缺III：Monopole天線內(nèi)置平面Monopole出現(xiàn)的現(xiàn)實意義：多模手機對多頻段天線的要求Monopole的大帶寬和高增益，足以應付3G時代跨越2GHz的幾百兆帶寬需求。內(nèi)置平面Monopole結(jié)構(gòu)靈活，易于與當今多變的手機結(jié)構(gòu)相配合III：Monopole天線內(nèi)置平面Monopole出現(xiàn)的現(xiàn)天線低頻部分天線高頻部分PCBFeedStrip塑膠支架38X6X4天線低頻部分天線高頻部分PCBFeedStrip塑膠支架從右圖可見該種monopole保持了低頻（1GHz）工作頻帶。高頻則可有著與中心頻率比值20%以上、寬達幾百兆工作帶寬。從右圖可見右圖為該天線模型在1.8GHz頻率下的增益方向圖。最大增益～4dBi。全向性可控制右圖為該天線模型在1.8GHz頻率下的增益方向圖。Monopole設計要求Monopole可以比同樣工作頻率的PIFA小。Monopole必須懸空，平面結(jié)構(gòu)下不能有PCB的Ground，至少5mm的凈空區(qū)

Monopole只需要一個FeedPoint和PCB上的Pad相連。電鍍件對天線的RF性能有很大的影響

距離電芯6-8mm以上，三頻8-10mm以上；一般要求長寬分別在32mm和7mm以上，同時距離最近的金屬物體（包括speaker）6mm以上；Monopole設計要求Monopole可以比同樣工作頻率PIFA和Moropole連接方式Stamping（金屬）

Stamping熱熔到Housing內(nèi)側(cè)，Stamping伸出spring與手機PCB連接

Stamping+Support

（金屬）

Stamping熱熔到Support上，連接用springStamping+Support+Pogopin(正、反)（金屬）

Stamping熱熔到Support上，連接用PogoPin。

正向使用PogoPin一般適合于帶support的結(jié)構(gòu)，反向使用都可以。天線PogoPinPCB天線PogoPinPCB正向使用PogoPin的反向使用PogoPin的PIFA和Moropole連接方式Stamping（金屬）FPCFPC+Support+FPC連接器FPC+Support+Pogopin(正、反)Housing表面電鍍FPCIV：內(nèi)置Helix類似外置Helix內(nèi)藏于手機殼內(nèi)金屬線Helix嵌入塑料內(nèi)模，軸線平行于PCB平面，豎直裝載于PCB頂端。金屬線Helix嵌入塑料內(nèi)模，軸線平行于PCB平面，平行裝載于PCB頂端。以上實際RF效果均不夠理想。一般輻射效率在20%。優(yōu)點在于可以利用以往的外置天線手機主板設計，稍加修改快速設計出一款內(nèi)置天線手機。IV：內(nèi)置Helix類似外置Helix內(nèi)藏于手機殼內(nèi)V：Furukawa尺寸：28.5X5.8X3.5（寬）一般放置在主板的Top端，靠近側(cè)面的效果會更好。徑向從邊算起直徑6mm空間內(nèi)不要擺放元件古河天線的下方PCB不允許過線供應商要求的三角區(qū)域不準擺放器件CDMA不能用直接SMT到PCB上，為防止跌落時受沖擊脫落，可以通過點膠或者頂部用泡棉壓的方式進行保護。注意要用白色的泡棉。V：Furukawa尺寸：28.5X5.8X3.5（寬）Furukawa設計要求（一）Furukawa設計要求（一）Furukawa設計要求（二）Furukawa設計要求（二）Furukawa設計要求（三）Furukawa設計要求（三）Furukawa設計要求（四）Furukawa設計要求（四）Furukawa設計要求（五）

A)

到天線2mm以內(nèi)的GND為2層構(gòu)造。

B)

請將匹配電路接口設置為5個（尺寸為1005）。

C)

天線的正下方不要放置電線。

D)

圖中a和b兩個地方應連接在一起。

（寬度應超過0.5mm）

E)

距離天線3mm以內(nèi)的零件必須與GND連接（零件高度在2mm以內(nèi)）。

F)

高度在2mm以上的零件，即使可以接地，也要距離天線3mm以上。

G)

不能接地的部件最好距離天線6mm以上（建議攝像頭在6mm以外）。

H)

應剪掉GND的一角，大小為C2.5。

I)FPC等放在給電一側(cè)。

Furukawa設計要求（五）A)到天VI：Chipset天線體積小，布局有利直接SMT到PCB上，結(jié)構(gòu)上不需要其它的固定方式

VI：Chipset天線體積小，布局有利Chipset天線的設計（一）Chipset天線的設計（一）Chipset天線的設計（二）A）距離天線的器件要有9mm以上，包括正面和反面的元器件。B）天線頂面的金屬件要距