手机天线设计 相关常识
日期:
2013/8/6
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手机天线设计 相关常识 A.手机天线原理介绍
天线﹐是电波的换成能器件﹐用以发射和接收电波。天线把在电路里流动的高頻电流通过电磁感应转換成高频电磁波向外辐射﹐高频电流流过任何导体時﹐导体內部的电子随高频电流一起振动﹐在导体外面空间会感应激发电磁波。天线也把空间的电磁波通过感应转换成高频电流﹐因此﹐天线收发是互逆的。 B.天线的几个常用术语
天线增益：某一方向的天线增益是指该方向上的功率通量密度和理想点源或半波振子在******辐射方向上的功率通量密度之比。增益与天线方向图的关系：方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 垂直极化：常以大地作为标准面。凡是极化面与大地法线面平行的极化波称为垂直极化波。其电场方向与大地垂直。如果天线采用垂直极化，那我们希望的结果是水平波束宽度最小。 
C. 天线设计 
（一 ）PIFA天线设计注意事项 1， 内置天线尽量远离周围马达、SPEARKER、RECEIVER等较大金属物体。有时候有摄像头出现，这时候应该把天线这块挖空，尽量作好摄像头FPC的屏蔽，否则会影响接收灵敏度。尽量避免PCB上微带、引线等与天线弹片平行（平行会产生寄生电容）。 2， 内置天线附近的结构件（面）不要有喷涂导电漆等导电物质。 3， 手机天线附近区域不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等。有环形的金属圈就要接地. 装饰件，通过导电布接到入件上再接到电路板的边缘，即导地。 4，内置天线正上、下方不能有与FPC（排线）重合部分，且相互边缘距离3mm以上。 5，内置天线与手机电池的间距应在5mm以上。 6，手机PCB的长度对PIFA 天线的性能有重要的影响，目前 直板机PCB的长度在75-105mm之间这个水平。 7，馈电点的焊盘应该不小于2x3mm；馈电点应该靠边缘。 8，天线区域可适当开些定位孔。 9，在目前的有些超薄滑盖机中，由于天线高度不够，可以 通过挖空PIFA天线下方的地,然后在其背面再加一个金属片，起到一个参考地的作 用，达到满足设计带宽的要求。 10，天线空间一般要求预留空间：W、L、H，其中W15-25mm）、 L35-45mm）、H6-8mm)。其中H和天线谐振频率的带宽密切相关。W、L决定天线的最低频率。如果天线面积如下： 双频（GSM/DCS）：600x6~8mm 三频（GSM/DCS/PCS）：700x7~8mm 则GSM频段的效果会比较理想。 如何增加天线带宽 增加厚度或采用平面／非平面层状无源器件可改善微带天线带宽，但会使天线尺寸增大。驱动单元和天线无源单元的长和宽通常在一个半波长到1／4波长范围内。 （二 ）单极天线设计注意事项 单极天线的设计要求与PIFA天线大多相同，相同项不再赘述。 1. 天线的宽度应该不小于15mm。 2. 单极必须悬空，平面结构下不能有PCB的Ground，一般内置天线必须离主板3mm（水平方向），在天线正下方到地的高度必须保持在5mm（垂直方向）以上。如下图 
3. 由于MONOPOLE天线没有参考的地，SAR一般比PIFA天线大，实际应用中受到限制，且这是测试的难点，但是效率一般比 PIFA高。离电池要5mm以上。 PIFA天线设计步骤 取一块大小与天线支架差不多的铜箔，将铜箔粘贴在支架上，根据支架走势和周围元器件布置情况而设计出天线初步外形。 天线长度要求： 天线长度一般取天线辐射波长的1/4。现在天线一般是多频段的，我在以前设计天线时（没有3G频段），一般在GSM900的天线长度基础上试验。 测试天线VSWR VSWR<1.5时所对应的频段我们认为是有效频段，怎样增加有效频段宽度，这是天线设计的关键所在，也是最直接、最难的地方，大家有兴趣的话可以做一下研究。 测试时，把网络矢量分析仪校正，然后用电烙铁把主板上的测试孔取下，然后把馈线内的芯线和芯线外层金属部分别焊在测试孔下的焊盘上。再把拆下的手机各部分安装，最后把馈线的另一端连接到矢量分析仪上进行测量。 测试时要求手机部件全部安装，尽量以最真实的情形来模拟用户使用时的情况。 用网络失量分析仪测量出来的VWSR图形，双频天线有效VSWR(G900&1800) 
上图是一张理想的VSWR图形，大多数天线的频段对应的VSWR是分成不同有效部分的，也就是说VSWR可能有一个以上U形曲线。如果是四频天线（GSM），则有可能有两个以上的U形曲线。三频天线(G900、D1800、P1900）一般共用一个。 我们说的共用不是说不能有两个U形线，实际中是有的，如果VSWR达到理想的数值，则可以进行下一步测试---暗室测试 3.暗室测试 暗室测试比较简单，一般分为2D测试和3D测试，3D测试能比较全面的测试天线性能，但是设备成本比较大，大多数天线厂家都建设的是2D暗室，深圳的康佳集团有一个3D暗室。下面介绍一下2D测试内容： 
TX标准：30～32dB RX标准： -100～-110 Sensitivity标准：-100～-110 附G900&D1800频点计算 １. GSM900MHz 上行信道頻率﹕fl(n)＝890.2+(n-1)*0.2MHz 下行信道頻率﹕fh(n)= fl(n)+45MHz (1 =<n<= 124 ) 2. GSM1800MHz 上行信道頻率:fl(n)＝1710.2+(n-512)*0.2MHz 下行信道頻率:fh(n)= fl(n)+95MHz (512 =<n<= 885） TX 的 标 准：30～32dB RX 的 标 准：-100～-110 Sensitivity的标准：-100～-110 如果在天线测试中达到以上标准，则可以发数据报告给客户，客户如认可数据，则可以把设计的天线交付模具组，模具组根据设计尺寸，制作出初级天线模型，再进行暗室测试，OK则模具组将天线尺寸参数交付工厂开模生产，Fail则模具组继续修改。每个天线表面都会开一些小孔，有人是称定位孔，也有人称是散热孔，自认为两方面都有道理。 Monopole的设计与PIFA天线设计流程是相同的，测试标准也是同等对待。 PIFA与Monopole的优劣 1.PIFA皮法天线如按要求设计环境结构，电性能相称优越，包括SAR指标，是内置天线******方案。 2.Monopole天线投影区域不能有铺地，或无PCB，同时也不要安排马达、SPEAKER、RECEIVER等较大金属结构的元件。由于单极天线的电性能对金属特别敏感，甚至无法实现.综合来说PIFA天线对环境要求不太高，比较容易实现，性能也能达到一般要求，所以大多手机（山寨）都******这种天线。 D. 手机天线常用种类 1．PIFA 即PF天线或者倒F天线(Plane Figure Antenna) 
2．Monopole 即单极天线 
说明：PF天线和单极天线包含的常用种类分为两种： 1>弹片式 2>贴片式(FPC) Apple N90 GSM&UMTS 天线  PIFA天线等效图如上，由L2与C1构成一个偏向电容性的谐振，之后与L1电感谐振，就是通过L1，L2，C1把传输线过来的能量升压到C1上，之后利用C1这个场空间把电磁场能量释放出去，所以对C1来说，必需要求天线跟地之间有一定的高度，一般不小于7mm，最少不低于5mm。为了提高天线频带，再引入一个C2，再引入地，同时在天线周围多设接地点。这样让电场有更广泛的辐射。N90天线就是利用多个接地点来提高带宽的。
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