GSM 手机外置天线的原理

GSM 手机外置天线的原理

摘要: 手机在人们的生活中起着越来越重要的作用, 而手机在发送接收信号时性能的好坏, 一定程度上取决于射频电路天线部分的设计。介绍了GSM 频段手机外置天线的原理和电气特性要求, 及依据天线工作原理工厂对手机天线的检验方法。

1GSM 手机外置天线的原理

手机天线对整个手机来说是一颗机构电子料, 他的外观同工业设计有关系。这里着重讲述手机外置(exposed)天线电气方面的原理。

当电能量加到并联谐振网络上时, 并联谐振网络就会向外发射一定频率F = 1/2π√LC 的电磁波。当并联谐振网络处在电磁场中, 他会产生一定频率F = 1/2π√LC的电能量, 且频率F 与电磁波频率一致时, 产生电能量相对最大。手机天线就是运用这样的电气原理, 为了更好地发送和接收电磁波, 将并联谐振回路中的电容两个板极打开, 以电感为振子。电容性以分布容性实现, 因中国的全球通波段和欧洲一致, EGSM (低发高收880～915MHz 及925～960MHz) 加DCS (发1710～1785MHz, 收1805～1885 MHz) , 总对天线来说要求DualBand (880～960MHz, 1710～1880MHz)。故电感为一个有两种疏密度的线圈, 以满足两波段频率发送接收的需要。

若是做三频天线, 因PCS 频段与DCS 频段接近, 只需在DCS 频段上扩展就可以。调节手机天线电气性能时,需要一只最终定型的手机(所有其他部件不再会改变) 制作手机天线测试工具, 在其天线连接的部位引1 根钢管线出来安装SMA 头。通过接校准过单端口S11 参数的矢量网络分析仪Aginlent8753 来显示天线在两个频段的S11特性, 应该在有用频段内小于- 10 dB, 测试时周围不应该有金属反射面, 有些厂商EGSM 频段做不到小于- 10 dB,那最低要求也要做到小于- 8 dB。

若满足不了S11 特性, 就要通过改变线圈的长度和疏密度及手机内部PCB 板匹配网络来满足S11 参数特性。参数达标后, 将线圈固定并拍照记录下线圈的长度和疏密度, 使之可用以大量生产, 并记录下匹配网络各被动器件参数用于手机内部PCB 板匹配网络制作。若是翻盖手机,S11 在闭合和打开时都满足所测标准, 主要考察打开时的S11。S11 与V SWR 有对应换算关系。调好S11 后, 还要测其增益与方向性, 这就要求在3D 或2Dchamber 里测试, 绘出图形, 再换算成理论要求平均增益, 接近于0 dB。但实际做不到, 一般要求EGSM 频段不小于- 1 dB, DCS频段不小于- 2 dB。内置天线更低为- 4 dB, 另外SAR 测试也要达标, 这要求在专用的SAR 实验室测试(实验室必须具有国际认证资格) 目前国家并没有做强制要求。

因为要做到电气性能达标, 线圈必须大于一定长度,所以天线外露出机壳的部分必须大于1614mm, 但是把线圈缩入机壳内的除外。除装配合格外, 手机外置天线要做落甩实验, 直板机从高度为115 m 落下, 折叠机为112 m。经落甩后机构电气性能都不能改变。

2外置天线参数检验方法

手机整机厂商检验手机外置天线产品参数是否合格的简便方法:

(1) 频率范围(frequency range) 用校正过单端口S11的网络分析测S11 小于- 10 dB 的范围涵盖所需频段为合格。

(2) 阻抗( impedance) 用较正后的网络分析仪测阻抗密斯圆图上, (0, 0) 是匹配点(50 8 )。

(3) 回波损耗( return lo se) 测量方法与频率的测量相同, 带内回损- 10 dB。

(4) 电压驻波比(V SWR) 用网络分析仪测, 先较正单端口S11, 按Fo rmat 后测SWR。

( 5) 增益(gain) 需在隔离度优于- 80 dB 的屏蔽室(chamber) 中进行测量。在手机以天线连接到PCB 接口处引一个RF cable 出来, 加信号发时, 用标准天线测待测天线发射出来的功率(近场测试)。所得测试及功率除以加到天线到PCB 接口处信号的功率即为增益。

( 6) 额定功率(power rating) 需要在隔离度优于- 80 dB的屏蔽中测量。取手机一部装上S IM 卡和电池,开机使手机处于发射状态, 用标准天线作近场测量。测出的功率为额定功率。

(7) 极化方向(polarization) 可用垂直极化(vertical polarizat ion ) 标准天线测量。如果被测天线是水平极化(horizontal polarizat ion) , 那垂直标准极化天线几乎收不到信号。

3结语

现在人们为了手机外壳的简约美观而去掉外置式天线, 因此手机天线向内置式发展, 但内置天线增益较低, 造成手机收发性能不好, 在基站信号较弱的地方容易断话。故手机外置式天线在手机业中仍占有一席之地, 研究并做好、做小手机外置式天线仍是市场的需求。