手机天线设计讲义

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
Furukawa设计要求（一）
Furukawa设计要求（二）
Furukawa设计要求（三）
Beamwidth
Area of poor coverage directly under the antenna
Side View (Vertical Pattern)
Top View (Horizontal Pattern)
EIRP
• EIRP（ Effective Isotropic Radiated Power ）
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。
Monopole 设计要求
• Monopole可以比同样工作频率的PIFA小。 • Monopole Monopole必须悬空，平面结构下不能有PCB 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；
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 20% 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 4dBi 益～4dBi。 • 全向性可 控制
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
• 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。
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。
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 PIFA需要的空间大小视乎频段和射频性能的 需求。 需求。
双频（GSM/DCS）：600 mm2×7～8mm 三频（GSM/DCS/PCS）：700 mm 2 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 天线正下方一般避免安放器件，尤其是Speaker Speaker和 Vibrator（如果需要，要供应商评估） 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。 电池尽量远离天线，Motor等 一般至少5mm以上。 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。 • 天线同侧后盖上不用导电漆喷涂，谨慎使用电镀装饰。
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（directional）。
• 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。
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。
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
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。
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”。
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。
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） 天线有全立体角相 等的方向分布。 • 该天线可作为其它 天线的参照。
侧视 (垂直方向图)
顶视 (平面方向图)
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。
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 正向使用 的 Stamping （金属）
PCB
反向使用Pogo Pin的 反向使用 的
Stamping热熔到Housing内侧，Stamping伸出spring与手机PCB连接
I：假内置
• 尺寸：13mmX直径6.0 尺寸： • 设计要求：1）一般放置在主板Top端，在径向方向 设计要求： 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。
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
• • • •
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。
Stamping + Support （金属）
Stamping热熔到Support上，连接用spring
Stamping + Support + Pogo pin (正、反) （金属） 正
Stamping热熔到S百度文库pport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。
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。
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）