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1、手机天线设计手机天线设计主讲:郑宗波飞图科技有限公司7/26/20247/26/20241 1一、天线的由来一、天线的由来二、天线的功能二、天线的功能三、天线的类型三、天线的类型四、天线设计注意事项四、天线设计注意事项五、金属器件对天线的影响五、金属器件对天线的影响六、天线支架设计六、天线支架设计七、支架和天线的材料七、支架和天线的材料八、相关术语介绍八、相关术语介绍目录7/26/20247/26/20242 2一、天线的由来人与人之间的通信最早是通过声人与人之间的通信最早是通过声音,随着长距离通信的需求,出音,随着长距离通信的需求,出现了用信号旗及狼烟通信。这些现了用信号旗及狼烟通信。这些都
2、在可视的范围内,随着人类的都在可视的范围内,随着人类的进步,电磁辐射的发现及研究才进步,电磁辐射的发现及研究才有了当今快速的通信,当然离不有了当今快速的通信,当然离不开天线。开天线。天线是移动通信系统中重要的组天线是移动通信系统中重要的组件。它负责发射及接收电磁波。件。它负责发射及接收电磁波。设计天线的理论基础是设计天线的理论基础是MaxwellMaxwell方程组。它把电与磁导入到同一方程组。它把电与磁导入到同一个电磁场理论中去。个电磁场理论中去。7/26/20247/26/20243 3二、天线功能天线的主要功能是:接收和发射电磁波。天线的主要功能是:接收和发射电磁波。无线电发射机输出的射
3、频信号功率,通过馈线(电无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。手机不间断地与基站联系,依靠天线接收和发射天手机不间断地与基站联系,依靠天线接收和发射天磁波,天
4、线释放出的电磁辐射功率约磁波,天线释放出的电磁辐射功率约440440微瓦微瓦/ /平方平方厘米,天线的设计在结构上需要考虑天线的效率和厘米,天线的设计在结构上需要考虑天线的效率和SARSAR,对于各频段天线效率基本要求在,对于各频段天线效率基本要求在30%30%以上。以上。较高客户要求在较高客户要求在4545以上。以上。7/26/20247/26/20244 4手机天线主要技术指标手机频率:手机频率:指手机的频段,指手机的频段,GSMGSM,DCSDCS回波损耗:回波损耗:当天线和馈线不匹配时,也就是天线当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就只能吸收馈阻抗不等于馈线特
5、性阻抗时,负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量,而不能全部吸收,未线上传输的部分高频能量,而不能全部吸收,未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。TRP/TISTRP/TIS:指天线的辐射功率和天线的全向接收灵指天线的辐射功率和天线的全向接收灵敏度。敏度。驻波比:驻波比:指模块输入的驻波系数和天线反射的驻指模块输入的驻波系数和天线反射的驻波系数之间的比值。驻波比值要波系数之间的比值。驻波比值要1.51.5最好。最好。SARSAR:每千克的物质在单位时间内人体头部接受的每千克的物质在单位时间内人体头部接受的电磁能量。电磁能量。7/26/20247/26/2
6、0245 5SAR在结构中解决办法天线的性能和天线的性能和SARSAR是一对矛盾是一对矛盾体。天线性能越好,体。天线性能越好,SARSAR越不越不容易通过标准指标。所以设计容易通过标准指标。所以设计天线时尽量将天线头部远离接天线时尽量将天线头部远离接听电话时人体的脑部。有时候听电话时人体的脑部。有时候需要设计成倾斜的;有时候将需要设计成倾斜的;有时候将天线放在手机的底部;或者涂天线放在手机的底部;或者涂导电涂料来解决导电涂料来解决SAR(SAR(但是对但是对天线的性能有影响天线的性能有影响) )。7/26/20247/26/20246 6三、天线的类型按外观分类:按外观分类: 1 1、外置天线
7、、外置天线 2 2、内置天线、内置天线( (重点介绍重点介绍) )按手机通讯制式分为:按手机通讯制式分为: 1 1、GSM:850MHz/900MHzGSM:850MHz/900MHz 2 2、DCS:1800MHzDCS:1800MHz 3 3、PCS:1900MHzPCS:1900MHz 4 4、CDMA1X:800MHzCDMA1X:800MHz 5 5、WCDMA:2100MHzWCDMA:2100MHz7/26/20247/26/20247 7内置天线主要种类PIFA AntennaPIFA AntennaMonopole AntennaMonopole AntennaChipset
8、 AntennaChipset Antenna7/26/20247/26/20248 8 A、 外置天线空间要求CDMA: CDMA: 线圈尺寸线圈尺寸 5.2*14mm5.2*14mm GSM&DCS: GSM&DCS: 线圈尺寸线圈尺寸 5.2*14mm5.2*14mm GSM&DCS&PCS:GSM&DCS&PCS: 线圈尺寸线圈尺寸 5.2*15mm5.2*15mm GSM&DCS&PCS&WCDMA:GSM&DCS&PCS&WCDMA: 线圈尺寸线圈尺寸 5.2*15mm5.2*15mm CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA: CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA:
9、线圈尺寸线圈尺寸 5.2*15mm5.2*15mm四、天线设计注意事项7/26/20247/26/20249 9外置天线图片7/26/20247/26/20241010B、PIFA天线空间要求PHS: H6.5mm A200mmPHS: H6.5mm A200mm CDMA: CDMA: H7.0mm A400mmH7.0mm A400mm GSM&DCS: GSM&DCS: H7.0mm A500mmH7.0mm A500mm GSM&DCS&PCS: GSM&DCS&PCS: H7.0mm A550mmH7.0mm A550mm GSM&DCS&PCS&WCDMA: GSM&DCS&PCS
10、&WCDMA: H7.5mm A650mm H7.5mm A650mm CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA: CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA: H8.0mm A750mm H8.0mm A750mm 7/26/20247/26/20241111L=3540w=1525H=68Feed PADGround PADGroundAntennaPIFA天线设计参考7/26/20247/26/20241212C、Monopole天线空间要求PHS: GroundPHS: Ground镂空镂空5mm 5mm 天线空间天线空间25*5mm25*5mm CDMA: CDMA: Grou
11、ndGround镂空镂空5mm 5mm 天线空间天线空间30*5mm30*5mm GSM&DCS: GSM&DCS: GroundGround镂空镂空7mm 7mm 天线空间天线空间30*8mm30*8mm GSM&DCS&PCS: GSM&DCS&PCS: Ground Ground镂空镂空8 8mm mm 天线空间天线空间30*8mm30*8mmGSM&DCS&PCS&WCDMA:GSM&DCS&PCS&WCDMA: GroundGround镂空镂空1212mm mm 天线空间天线空间30*10mm30*10mmGSM&DCS&PCS&CDMA&WCDMA: GSM&DCS&PCS&CDM
12、A&WCDMA: Ground Ground镂空镂空1212mm mm 天线空间天线空间35*10mm35*10mm7/26/20247/26/20241313Monopole天线设计参考1、天线垂直PCB装配7/26/20247/26/202414142、天线平行PCB装配7/26/20247/26/20241515有效面积有效面积mmmm 距主板器距主板器件位置件位置mmmm天线投天线投影下方影下方天线天线馈源馈源天线天线体积体积天线天线性能性能SARSARPIFAPIFA约为约为6006007 7有地有地2 2大大很好很好低低单极单极约为约为3003005 5无地无地1 1小小好好高高直
13、板机直板机翻盖机翻盖机滑盖机滑盖机折叠机折叠机超薄直板机超薄直板机超薄折叠机超薄折叠机PIFAPIFA适用适用适用适用适用适用适用适用不适用不适用不适用不适用单极单极不适用不适用不适用不适用不适用不适用不适用不适用适用适用适用适用手机内置天线比较PIFA和单极天线的综合比较PIFA和单极天线适合机型比较7/26/20247/26/20241616主板设计(主要是内置天线)手机PCB的尺寸对天线影响很大,(直板机)一般要求长在90-120mm左右,宽在35-50mm左右。某些超薄机出于设计考虑,尺寸很短,建议在电池下面铺金属板,与PCB 充分连接,保证PCB的尺寸相应长度。5738见右图7/26
14、/20247/26/20241717PIFA馈点的设计一、天线馈点应尽量靠近PCB的边缘,尺寸建议2X3(mm),如右图黄色区域。馈点和接地点之间的距离与天线的阻抗有关系,建议其尺寸不要太大,23mm即可。二、馈点下边缘与PCB地之间的距离2mmFeed PADGround PAD7/26/20247/26/20241818Monopole馈点的设计 一、单极天线一般为单馈电,尺寸大小为2X3(mm)。PAD下边缘距离PCB地最好5mm。二、对于一些极限情况,如天线空间很小,周边器件较多等,可以加一个馈地点用来拓展带宽,具体位置视不同手机而定。7/26/20247/26/20241919超薄直
15、板手机应用PIFA的方案PIFA的的GroundPIFA的的Patch馈馈电电接地接地PCB带地带地LCD电池电池7mm7/26/20247/26/20242020超薄直板手机应用PIFA的方案u把PCB在天线区域截断,用一块良好接地的金属片紧贴手机Top面,使得PIFA的地降低;PIFA的patch则贴近Bottom面,这样可以充分利用手机内部的厚度。PIFA的高度要求还是不难满足的。u此种方案的缺点在于LCD的位置偏低,如果ID设计的卖点是大LCD且位置偏高,则不适合这种设计。7/26/20247/26/20242121超薄直板手机应用单极天线的方案馈馈电电点点电池电池LCDReceive
16、r净空区净空区8mm至少至少5mm此此空间可以空间可以放没有金属放没有金属底座的底座的Camera sensorPCB带地带地7/26/20247/26/20242222超薄直板手机应用单极天线的方案采用单极天线方案的要点是有一块净空区域在板的端部,采用单极天线方案的要点是有一块净空区域在板的端部,净空区域一般宽净空区域一般宽8mm8mm。该。该区域没有地,且一般没有器件进区域没有地,且一般没有器件进入。入。考虑考虑IDID设计要求出音孔不能太低,设计要求出音孔不能太低,speakerspeaker或者或者receiverreceiver势势必要进入上述的净空区域。折中的设计是不可避免的。问必
17、要进入上述的净空区域。折中的设计是不可避免的。问题在于寻求一个两方面都可接受的平衡点。题在于寻求一个两方面都可接受的平衡点。根据我们的实验判断认为,磁声器件在单极天线的净空区根据我们的实验判断认为,磁声器件在单极天线的净空区域内,在手机厚度方向拉远器件和天线的垂直距离没有明域内,在手机厚度方向拉远器件和天线的垂直距离没有明显的好处且增加手机厚度;而沿手机主板长度方向移动器显的好处且增加手机厚度;而沿手机主板长度方向移动器件是有巨大作用的,件是有巨大作用的,2mm2mm的距离足以增加的距离足以增加1dBi1dBi的增益。的增益。此种结构布局此种结构布局LCDLCD可以放得较高,可以放得较高,ID
18、ID设计都比较符合时尚,设计都比较符合时尚,但单极天线的性能可能由于较少的净空区,其它器件的影但单极天线的性能可能由于较少的净空区,其它器件的影响,会大幅度的降低。响,会大幅度的降低。7/26/20247/26/20242323 Speaker和Receiver的影响uSpeaker和Receiver中间是一个线圈,长度约在40-50mm左右,加上不同长度的信号线可在不同的频段产生谐振,降低天线性能。uSpeaker和Receiver本身的高频音频信号会在低频段产生干扰。u一般在两根信号线上各串联一个100nH电感,可有效消除其影响。100nH五、金属器件对天线的影响7/26/20247/26
19、/20242424 uMotor对天线性能影响很大,特别是在工作状态(震动)下。因此一般要求其距离天线馈点在10mm以上,同时为了提高天线效率等,天线在Motor上方周围区域尽量不布线。uCamera正常情况下影响很小,但有时Flash的引线FPC过长,会干扰到天线,故FPC长度越短越好。Motor和Camera对天线的影响7/26/20247/26/20242525装饰件对天线的影响u机壳周框(上盖和下壳)和天线附近经常会有金属装饰件或电镀装饰件,如果它们的尺寸和工作频段波长成比例,会对天线产生极大干扰。u图一周框电镀层使功率和灵敏度下降3dB,故在两肩部分截断。u图二为Camera周围的装
20、饰件,尺寸较大,灵敏度下降了5dB,后整体尺寸减小一圈后影响消失。电镀截断,改善性能整体尺寸减小一圈后,干扰消失。7/26/20247/26/20242626特殊设计的案例uMoto V3面世后,很多Design House仿照其进行设计,出来的结果GSM功率很差,不是其机板设计问题,而是出在Ground的延伸上。类似手机天线都位于下端,打开状态时,上板和下板连接起来长度太长,约160mm,影响了GSM频段的辐射。研究V3手机可以发现,即使连接前后板的FPC断开,两者的Ground也是连通的,整个金属外壳和板子的Ground是一体的,这样电流回流实际上就缩短了板子实际尺寸,保证了GSM 频段的
21、性能。类似手机设计时,不仅要保证FPC连接前后板,还要在板子另一侧把Ground也连通。7/26/20247/26/20242727六、天线支架结构设计注意事项1、支架平面2、热熔柱3、支架固定4、天线弹片7/26/20247/26/202428281、支架平面 支架平面:尽量是完整的平面或连续的曲面。 曲面上的天线需随曲面弧度进行折弯,容易出现天线与支架间不贴和,有缝隙。若贴和不稳定会影响天线性能,也容易与外壳有干涉。7/26/20247/26/202429292、热熔柱 热熔柱的作用:将天线定位以及天线与支架的固定。 在支架设计时需要预留出来天线的高度及热熔柱热熔后的高度。天线厚0.2mm
22、,根据经验,通常要求热熔柱热熔后与天线的距离保持在0.3mm。即,需要预留出至少0.5mm的高度,以避免与壳体有干涉。 天线弹片处的热熔柱较重要,一般会设计直径为1.2mm。7/26/20247/26/20243030 3、支架固定 支架的固定形式因ID异,采用定位柱和卡扣与PCB板固定是最佳的固定方式。其中卡扣的一些参数设计较关键。7/26/20247/26/20243131 亦可以设计用镙钉固定支架与PCB板,但镙钉是金属件,会对天线有一定影响。 支架与壳体固定,存在着双重定位,即支架与PCB的定位,支架与壳体的定位。需要定位准确以保证天线弹片与馈点的良好接触。7/26/20247/26/
23、202432324、天线弹片 馈点位置需RF工程师与硬件工程师讨论确定,PAD尺寸至少保证在32mm,PAD间距保持在2mm以上。 支架结构设计也需考虑到PAD位置,天线和PAD需要合适的距离,以保证天线和PAD的良好接触。7/26/20247/26/20243333七、材料1、支架材料: 天线支架使用的材料主要有ABS、PC。二者比较,ABS塑性好,PC材料的硬度高。材料会根据结构选用,亦可根据硬件要求,做成透明,以方便观察支架下的元器件。2、天线材料: 一般采用铍铜,镍铜,磷青铜,硬度分为H、H/2、H/4。厚度一般采用0.2mm或0.15mm。也可用不锈钢片和FPC 金属材料性能从高到低
24、为:铍铜镍银磷青铜不锈钢SUS(301或302头部镀金)7/26/20247/26/20243434八、相关术语介绍Return Loss-Return Loss-回波损耗回波损耗Smith Chart-Smith Chart-阻抗圆图阻抗圆图Dipole-Dipole-振子天线振子天线VSWR-VSWR-驻波比驻波比Band Width-Band Width-带宽带宽Isotropic-Isotropic-理想电源天线理想电源天线Gain-Gain-增益增益Efficiency-Efficiency-效率效率Polarization-Polarization-极化极化Directivity-
25、Directivity-方向系数方向系数Impedance-Impedance-天线阻抗天线阻抗Frequency-Frequency-工作频率工作频率7/26/20247/26/20243535回波损耗-Return Loss当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量,而不能抗时,负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量,而不能抗时,负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量,而不能抗时,负
26、载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量,而不能全部吸收,未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。全部吸收,未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。全部吸收,未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。全部吸收,未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。回波损失回波损失回波损失回波损失RL=-10logRL=-10log7/26/20247/26/20243636阻抗圆图Smith ChartSmith Chart Smith Chart 是表征微波器件的阻抗特性的工具。是表征微波器件的阻抗特性的工具。是表征微波器件的阻抗特性的工具。是表征微波器件的阻抗特性的工具。它适用于任何特性阻抗的系统,通常的系统
27、的特性阻抗为它适用于任何特性阻抗的系统,通常的系统的特性阻抗为它适用于任何特性阻抗的系统,通常的系统的特性阻抗为它适用于任何特性阻抗的系统,通常的系统的特性阻抗为 Z0Z05050。Smith Chart Smith Chart 通常为归一化的表达方式。通常为归一化的表达方式。通常为归一化的表达方式。通常为归一化的表达方式。即即即即Z ZZL/Z0ZL/Z0如下所示为如下所示为如下所示为如下所示为Smith Chart Smith Chart 的电感及电抗的曲线。的电感及电抗的曲线。的电感及电抗的曲线。的电感及电抗的曲线。7/26/20247/26/20243737阵子天线Dipole对对对对
28、称称称称振振振振子子子子是是是是一一一一种种种种经经经经典典典典的的的的、迄迄迄迄今今今今为为为为止止止止使使使使用用用用最最最最广广广广泛泛泛泛的的的的天天天天线线线线,单单单单个个个个半半半半波波波波对对对对称称称称振振振振子子子子可可可可简简简简单单单单地地地地、独独独独立立立立地地地地使使使使用用用用或或或或用用用用作作作作为为为为抛抛抛抛物物物物面面面面天天天天线线线线的的的的馈馈馈馈源源源源,也也也也可可可可采采采采用用用用多多多多个半波对称振子组成天线阵。个半波对称振子组成天线阵。个半波对称振子组成天线阵。个半波对称振子组成天线阵。两两两两臂臂臂臂长长长长度度度度相相相相等等等等
29、的的的的振振振振子子子子叫叫叫叫做做做做对对对对称称称称振振振振子子子子。每每每每臂臂臂臂长长长长度度度度为为为为四四四四分分分分之之之之一一一一波波波波长长长长、全全全全长长长长为二分之一波长的振子,称半波对称振子为二分之一波长的振子,称半波对称振子为二分之一波长的振子,称半波对称振子为二分之一波长的振子,称半波对称振子半波对称振子及半波对称振子及半波对称振子及半波对称振子及它的它的它的它的3D3D辐射场图辐射场图辐射场图辐射场图7/26/20247/26/20243838驻波比VSWR驻波比的产生,是由于入射波能量传输到天线输入端未被驻波比的产生,是由于入射波能量传输到天线输入端未被驻波比
30、的产生,是由于入射波能量传输到天线输入端未被驻波比的产生,是由于入射波能量传输到天线输入端未被全部吸收(辐射)、产生反射波,迭加而形成的。全部吸收(辐射)、产生反射波,迭加而形成的。全部吸收(辐射)、产生反射波,迭加而形成的。全部吸收(辐射)、产生反射波,迭加而形成的。VSWRVSWR越大,反射越大,匹配越差。越大,反射越大,匹配越差。越大,反射越大,匹配越差。越大,反射越大,匹配越差。VSWR=VSWR=Umax/UminUmax/Umin经过计算,驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与经过计算,驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与经过计算,驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与经过
31、计算,驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配(完全匹配(完全匹配(完全匹配(VSWR=1VSWR=1)时相比,所减小的总辐射功率的关)时相比,所减小的总辐射功率的关)时相比,所减小的总辐射功率的关)时相比,所减小的总辐射功率的关系。系。系。系。 7/26/20247/26/20243939带宽Bandwidth无论是发射天线还是接收天线,它们总在一定的频率范无论是发射天线还是接收天线,它们总在一定的频率范无论是发射天线还是接收天线,它们总在一定的频率范无论是发射天线还是接收天线,它们总在一定的频率范围(频带宽度)内工作的,天线的频带宽度有两种不同围(频带宽度)内工作的,天线的频带宽度
32、有两种不同围(频带宽度)内工作的,天线的频带宽度有两种不同围(频带宽度)内工作的,天线的频带宽度有两种不同的定义:的定义:的定义:的定义:一种是指:在驻波比一种是指:在驻波比一种是指:在驻波比一种是指:在驻波比SWR1.5 SWR1.5 SWR1.5 SWR1.5 条件下,天线的工作频带条件下,天线的工作频带条件下,天线的工作频带条件下,天线的工作频带宽度;宽度;宽度;宽度; 一种是指:天线增益下降一种是指:天线增益下降一种是指:天线增益下降一种是指:天线增益下降3 3 3 3分贝范围内的频带宽度。分贝范围内的频带宽度。分贝范围内的频带宽度。分贝范围内的频带宽度。 在移动通信系统中,通常是按前
33、一种定义的,具体的说,在移动通信系统中,通常是按前一种定义的,具体的说,在移动通信系统中,通常是按前一种定义的,具体的说,在移动通信系统中,通常是按前一种定义的,具体的说,天线的频带宽度就是天线的驻波比天线的频带宽度就是天线的驻波比天线的频带宽度就是天线的驻波比天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR SWR SWR SWR 不超过不超过不超过不超过1.5 1.5 1.5 1.5 时,时,时,时,天线的工作频率范围。天线的工作频率范围。天线的工作频率范围。天线的工作频率范围。 一般说来,在工作频带宽度内的各个频率点上一般说来,在工作频带宽度内的各个频率点上一般说来,在工作频带宽度内的各个频率点上一般说来,在工作频带宽度内的各个频率点上, , , ,天线性能天线性能天线性能天线性能是有差异的,但这种差异造成的性能下降是可以接受的。是有差异的,但这种差异造成的性能下降是可以接受的。是有差异的,但这种差异造成的性能下降是可以接受的。是有差异的,但这种差异造成的性能下降是可以接受的。在通信行业所谓的天线带宽都是在某一在通信行业所谓的天线带宽都是在某一在通信行业所谓的天线带宽都是在某一在通信行业所谓的天线带宽都是在某一VSWRVSWRVSWRVSWR下的天线带下的天线带下的天线带下的天线带宽。宽。宽。宽。7/26/20247/26/20244040