手机内置式天线设计

手机内置式天线设计手机内置式天线设计 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（omni- directional）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。 • 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。 基站 X Y Z 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 方向收到“挤压”，水 平方向则扩大了覆盖范 围。 • 增益越高，垂直方向 波束越窄，水平方向 覆盖面积越大。 侧视 (垂直方向图) 顶视 (水平方向图) dipole (with Gain) 垂直波束 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。 Area of poor coverage directly under the antenna Beamwidth Side View (Vertical Pattern) Top View (Horizontal Pattern) • EIRP（ Effective Isotropic Radiated Power ） EIRP = transmitter power + antenna gain – cable loss 15 dBm30 mW 17 dBm50 mW 20 dBm100 mW dBmPower Setting 21 dBm6 dBi 23 dBm6 dBi 26 dBm6 dBi EIRPGain@ 6 dBi Patch 12 dBm15 mW 0 dBm1 mW 7 dBm5 mW 13 dBm20 mW 18 dBm6 dBi 6 dBm6 dBi 13 dBm6 dBi 19 dBm6 dBi 内置天线分类 • PIFA Planar Inverted F Antenna • Internal Planar Monopole 内置平面单极天线 • Internal Helix 内置螺旋天线 手机结构 vs PIFA天线（直板 机）（一） • 典型PIFA形 式,GSM/DCS (/PCS) • 位于手机顶部 • 面向Z轴正 向，与电池同 侧。 手机结构 vs PIFA天线（直板 机）（二） L=35~40w=15~25 H=6~8 Feed pinshort pin Ground Antenna 手机结构 vs 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 • 手机电池芯对PIFA影响强烈。 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 ×7～8mm 三频（GSM/DCS/PCS）：700 ×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 • 电池尽量远离天线。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。 2mm 2mm 天线馈点和接地的摆放 （红色为馈点，蓝色为接地） 手机结构 vs 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。 手机结构 vs PIFA天线（翻盖 或滑盖）（二） • 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。 • 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。 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 天线低频部分 天线高频部分 PCB Feed Strip 塑胶支架 38X6X4 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 内置Planar Monopole vs手机 结构设计 • 内置Planar Monopole天线可以比同样工作 频率的PIFA小。 • Monopole必须悬空，平面结构下不能有 PCB的Ground。 • Monopole只需要一个Feed Point和PCB上 的Pad相连。 内置天线结构种类 1. Stamping Stamping热熔到Housing内侧，Stamping伸出spring与手机PCB连接 2. Stamping + Support Stamping热熔到Support上，连接用spring 3. Stamping + Support + Pogo pin (正、反) 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。 天线 Pogo Pin PCB 天线 Pogo Pin PCB正向使用Pogo Pin的 反向使用Pogo Pin的 • FPC • FPC + Support + FPC连接器 • FPC + Support + Pogo pin (正、反) • Housing表面电镀 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。 • 磷铜 • 铍青铜 • 洋白铜 • 不锈钢 • ABS, PC, PA • 聚酯、聚酰亚胺 • 3M转移胶