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手机天线设计讲义


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(omnidirectional)和定向(direct

ional)。

? 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、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。
Z

基站

Y

X

天线原理
? 一个理论上的各向 同性(Isotropic) 侧视 天线有全立体角相 (垂直方向图) 等的方向分布。 ? 该天线可作为其它 天线的参照。 顶视
(平面方向图)

http://www.oepsi.com http://www.5m2p.com http://www.kxdxzl.com http://www.kjzldx.com http://dxb.qnw.cc

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。
侧视 (垂直方向图)
垂直波束
dipole (with Gain)

? 增益越高,垂直方 向波束越窄,水平 方向覆盖面积越大。

顶视 (水平方向图)

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。
Beamwidth

Area of poor coverage directly under the antenna

Side View (Vertical Pattern)

Top View (Horizontal Pattern)

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

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

I:假内置
? 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。

假内置:天线弹片设计
Yoyo两种天线弹片设计的对比:

有有限的弹力臂

几乎没有弹力臂

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/DC S(/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)
short pin Feed pin
L=35~40

w=15~25

Antenna

H=6~8

Ground

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 m m2×7~8mm 三频(GSM/DCS/PCS):700 m m2 ×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 Vibrator(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 1 0 mm 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。

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

Feed Strip 天线低频部分

塑胶支架
38X6X4

PCB

天线高频部分

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

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;

PIFA和Moropole连接方式
天线

Pogo Pin

天线

Pogo Pin

PCB
1. 2. 3.

正向使用Pogo Pin的 Stamping (金属)

PCB

反向使用Pogo Pin的

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spring

Stamping + 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。

? ? ? ?

FPC FPC + Support + 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:28.5X5.8X3.5(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。

Chipset天线的设计(三)

Chipset天线的设计(四)

VII:BT&Wifi
? BlueTooth ? WIFI(VOIP,通过WLAN无线局域网发射) ? 实际上他们都属于Chipset antenna.

BT&Wifi
? WIFI ? VoIP(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!


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