手机天线设计指导书

Huawei Technologies Co 目 录Table of Contents TOC \o "1-3" \h \z \u 1 手机天线基本知识 7 1.1 移动通信奴才手机天线的要求 7 1.2 手机天线的分类和性能对比 7 1.2.1 分类 7 1.2.2 外置天线的情况 7 1.2.3 内置天线的情况 10 1.2.4 内置天线与外置天线电特性与成本比较 11 1.2.5 综合 11 1.3 手机天线的指标意义 12 1.4 手机天线应用中需注意的问题 14 1.4.1 手机天线与射频前端的配合问题 14 1.4.2 导电体对天线特性的影响 14 1.4.3 人体对手机天线特性的影响 18 1.4.4 手机天线对SAR（scatter absorb rate）的影响 18 1.5 天线的测试项目和测试设备介绍 19 1.5.1 天线的测试项目 19 1.5.2 手机天线的测试设备 19 1.6 手机天线与手机电路的连接方式 22 1.7 各种手机天线的特点与要点 22 1.7.1 螺旋天线 22 1.7.2 PCB板螺旋天线 22 1.7.3 PIFA天线 22 1.7.4 微带贴片天线 23 1.8 手机天线多频实现 26 1.8.1 外置天线多频的实现方式 26 1.8.2 微带天线多频的实现方式 29 1.9 HDA（高介质）天线 35 1.10 各手机厂家所用天线情况 35 2 手机天线的选型与手机设计的配合问题 39 2.1 内置天线选型与手机设计 39 2.2 外置天线选型与手机设计 40 2.3 手机天线选型的一般原则 40 3 现有手机天线的厂家情况分析与合作建议 41 3.1 现有手机天线厂商和技术规模对比 41 3.2 天线厂商的选择策略 43 3.3 手机天线厂家的一般的合作过程 44 目录 List of Tables TOC \h \z \t "表号,1" 表1 XX表 Table 1 XX 2 图目录 List of Figures TOC \h \z \t "图号,1" 图1 螺旋天线 8 图2 PCB板螺旋天线 8 图3 介质振荡天线 9 图4 用在手机上的PIFA天线 10 图5 一种宽带微带贴片天线 10 图6 用于蓝牙的陶瓷天线 11 图7 PIFA的基本形式 23 图8 最简单的外置双频天线 27 图9 最简单的螺旋双频天线 27 图10 简单双频一体化螺旋天线 28 图11 螺旋多频天线设计 28 图12 内置与外置天线结合实现双频天线 29 图13 感抗加载双频天线 30 图14 探针馈电的槽加载贴片天线（线极化） 30 图15 探针馈电的单凹槽天线 30 图16 探针馈电的双凹槽天线 31 图17 带有短路销钉的双频三角形贴片天线，能提供的频带比较大。 31 图18 单层多贴片双频天线（1） 31 图19 单层多贴片双频天线（1） 32 图20 自双工双频天线 32 图21 十字形子阵双频天线 33 图22 宽带双极化天线形式，频率：1700～1980MHz 33 图23 PIFA天线及其双频形式 34 图24 另一种PIFA双频天线的平面表示 34 图25 PIFA双频天线三维示意图 34 图26 PIFA形式的三频天线 35 图27 NOKIA 8210的天线 35 图28 NOKIA 6210天线 36 图29 爱立信337的天线 36 图30 爱立信T28S的天线 37 图31 MOTO V60天线 37 图32 MOTO V120 CDMA天线 38 图33 一各特殊的天线（闪光天线） 39 手机天线选型指导 关键词Key words： 摘 要Abstract： 缩略语清单List of abbreviations： Abbreviations缩略语 Full spelling 英文全名 Chinese explanation 中文解释 WHIP 可伸缩鞭状天线 1​ 手机天线基本知识 1.1​ 移动通信对手机天线的要求 天线最主要的功能在于转换两种不同传播介质中的电磁波能量。在能量转换的过程中，会出现收发信机与天线及天线与传播介质之间的不连续接口。在无线通讯系统中，天线必须依照这两个接口的特性来做适当的设计，以使得收发信机、天线以及传播介质之间形成一个连续的能量传输路径。 移动通信手机对天线的要求： 外在要求： 天线尺寸小，重量轻，剖面低，携带方便，机械强度好 电性能要求： 水平面要求有全向辐射方向图，频带宽，效率高，增益高，受周围环境影响小，对人体辐射伤害小 1.2​ 手机天线的分类和性能对比 1.2.1​ 分类 传统的手机天线可以根据天线所处的位置分为外置天线和内置天线两大类。 手机天线按传统的天线单元形式可分为： 单极天线 螺旋天线 PCB印制螺旋天线 微带贴片天线 缝隙天线 IFA天线和倒L天线 PIFA 陶瓷天线 其中前三种一般是外置天线，后面的几种是内置天线。 1.2.2​ 外置天线的情况 外置天线的的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单费用相对低；缺点是天线暴露于机体外易于损坏、天线靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害、同时对于FDD的系统，接收和发送必须使用不同的匹配电路。 传统的外置天线一般为单极天线，虽然制作简单，但是尺寸较大，不便于携带。 一般采用螺旋天线来降低天线的尺寸（法向螺旋），另外现在也开始使用印制在PCB的螺旋天线来得到更小尺寸与各种形状的外置天线。 图1螺旋天线 图2PCB板螺旋天线 这种天线还有许多种变形形式，能够实现多频、宽带的要求，有很强的灵活性，因此在外置天线中，此类天线的应用越来越广。 拉杆天线：一般是采用一节1/4波长螺旋和一节1/2波长螺旋构成，需要介质棒去耦，用来实现手机的高增益，在手持情况下，其增益可增加6dB以上。 另外还有一种所谓的介质天线，中长介质天线是一种漏波天线，其辐射特性为端射，而此处的介质天线可能是类似单极天线的天线，其通过介质谐振器的原理工作来辐射信号，可以使天线的体积大大减小，如果如此，此天线的Q值高，带宽窄，宽带与多频均不易实现，应不会有多少应用。 下面是其基本介绍： 介质振荡器天线由高介电常数、低损耗的材料制成，其好处是：尺寸小，带宽可在1％～10％内可调，无导体损耗，天线效率高，可产生多种模式，低次模带宽好一些，高次模增益大。 如果介质振荡器的尺寸足够小，也是可以内置于手机中的。 图3介质振荡天线 综述： 单极天线由于其要求的长度长，一般不使用。 拉杆天线虽然有效增益高，电性能较好，但其结构复杂，同时需要使用记忆金属作材料，因此价格较贵，除北美等少数地方外，应用较少，我们不考虑使用。 螺旋天线以其良好的辐射特性、小体积、频带扩展容易实现的特性成为外置天线的的主流，但其体积还是较大，同时形状固定，不适合手机造形设计等特殊要求。 PCB形式的螺旋天线比普通螺旋天线的体积更小，天线形状是扁平特性的，同时此类天线的设计具有较强的灵活性，应用渐多。 在外置天线的应用中螺旋天线还是第一选择，其次是PCB形式的螺旋天线。 1.2.3​ 内置天线的情况 内置天线的特点： 可以做得非常小，不易损坏；可以将其安放在手机中远离人脑的一面，而在靠近人脑的部分贴上反射层、保护层来减小天线对人体的辐射伤害。 可以安装多个，很方便组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对未来的移动通信系统来说非常有用。 内置天线的形式特别多，包括微带贴片天线、缝隙天线、IFA天线和倒L天线、PIFA、陶瓷天线等等。 PIFA是现在使用得最多的一种内置天线，其由倒F线天线演变而来，具有体积小，增益高，剖面低，带宽相对较宽的特点，是在手机天线中使用得最多的天线。 图4用在手机上的PIFA天线 贴片天线与缝隙天线也是使用得较多的内置天线，贴片天线与缝隙天线可通过巴俾涅原理互换。 图5一种宽带微带贴片天线 PIFA与贴片天线将后面进行一定的分析。 陶瓷天线是一种特别小型化的天线。陶瓷天线的种类可分为块状陶瓷天线与多层陶瓷天线，前者是使用高)将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部份印在陶瓷块的表面上；后者则采用低温共烧（LTTC）的方式将多层陶瓷迭压对位后再低温烧结，所以天线的金属导体可以依设计需要印在每一层陶瓷介质层上，故可有效缩小天线所需尺寸，并能达到隐藏天线设计布局的目的。 图6用于蓝牙的陶瓷天线 一般地，陶瓷天线只在要求天线尺寸极度小的情况下使用，现在在蓝牙设备中有应用。其增益低，效率低，频带窄，而且成本高，在手机中使用还需假以时日。 1.2.4​ 内置天线与外置天线电特性与成本比较 一般情况，外置天线的驻波比可以做到2，增益可以做到0-1dBi。 对于内置天线，驻波也可以做到3之内，增益了可做到0-1dBi。 在手机天线中，天线增益并不重要，其平均有效增益才重要，基本的结论，外置天线的平均有效增益比一般的内置天线大2dB左右。内置天线的效率是达不到外置天线的水平的。 手机天线选择时不能被PEAK GAIN有欺骗，实际的平均有效增益小于此值，同时与手机设计息息相关。 外置天线手机天线价格为2.5—4元左右。 而且内置天线比较贵，大概从3—20元都有。 1.2.5​ 综合 根据上述的介绍，天线的分类和性能比较如下： 天线类型 外置天线 内置天线 单极子天线 螺旋天线 PCB形式的螺旋天线 PIFA天线 贴片天线 缝隙天线 陶瓷天线 价格比较 拉杆天线价格比较贵。 价格便宜 价格便宜 价格便宜 很少用 很少用 价格便宜 电性能比较 外置天线的驻波比可以做到2，增益可以做到0-1dBi。 内置天线，驻波比就比较差了。一般在6左右。增益了可做到0-1dBi。 电性能一般，主要是平均效率比较差。 用途说平 目前，手机上外置天线，螺旋天线是主流，主要的原因是可以降低天线的尺寸。而柔性PCB的螺旋天线是将来的发展方向。 手机上的内置天线，PIFA是现在使用得最多的一种内置天线。主要是体积小，增益高，带宽比较宽。 一般用在BT，wlan和GPS上。在PHS上也有应用。 1.3​ 手机天线的指标意义 天线输入阻抗： 天线的输入阻抗是以收发机与天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。这一数值对天线的辐射效率，天线的带内增益波动，天线前端的功率容量有很大的影响。手机天线是一种驻波天线，，天线的阻抗不匹配，将导致大量的信号反射，使天线的辐射效率降低，同时由于反射的影响使得天线在宽频带内的增益有抖动，如果天线的驻波为6，手机前端的击穿电压将降为原来的1/6，而功率容量就会下降。 手机天线驻波对天线效率的影响不可不慎。 天线的驻波要求，我们目前统一要求为小于3。 工作频率与工作带宽 天线的带宽是指满足天线全部指标的频带范围。工作频率是指天线带宽范围内的所有频率。 工作带宽由多个指标来限定，因此需取其中带宽最窄的带宽，手机天线中，方向图带宽，极化带宽等因素所限定的带宽大于阻抗带宽，因此在手机天线中一般以满足所要求驻波的带宽范围作为天线的工作带宽。 波束方向图 天线波束方向图是用来描述由天线所辐射出的能量与空间中任意位置的相互关系，藉由方向图可以得知由天线所辐射出来的电磁波在空间中每一个位置的相对强度或绝对强度。 毫无疑问，手机天线的水平方向图要求是全向的，实际上手机天线的波束方向图并不重要，主要是在手机的使用过程中，此时手机天线的辐射特性与单天线的辐射特性是不相同的。手机天线的方向图只要求水平面近似为全向即可。 方向性与天线增益 天线的方向性与其波束方向图有关，所以方向性也是方位角的函数，其定义如下： D(θ,ψ)=【天线在(θ,ψ)方向上的辐射强度】/【全向性天线的辐射强度】 在实际的应用上，由于必须考虑天线本身的辐射效率问题，故通常都以天线增益的大小来代替指向性，两者之间的关系为： G（θ,ψ）=eD(θ,ψ) 其中，天线的辐射效率高低与电磁波辐射过程中所损失的能量多少有关。 天线在能量传送与接收的过程中所有可能会产生的能量损失包括：天线输入端阻抗不匹配造成的能量反射、天线本身的材质在高频下所产生的能量损耗以及在传播介质中所消耗的能量。 手机天线的增益并不能代表手机使用时的效率问题：真正表示天线增益特性的指标应该是天线的平均有效增益，其与手机天线的的使用环境、使用方式、手机的结构、手机设计方式相关。 所以，一般手机天线的电性能要求如下： 1、 电压驻波比 要求VSWR<2 2、 最大承受功率 2W 3、 互调测试 不做要求 4、 方向图（要求是至少是高，中，低三个频点的方向图，希望是三维，假如不是三维，要求给出E面和H面的方向图，假如是折叠机，需要测试翻盖和折叠两种状态的情况） 5、 不圆度， 不圆度不做要求，但是需要了解这个指标。将来作为天线性能的一个对比指标 6、 天线的平均效率和平均增益（在微波暗室测试，假如是折叠机，需要测试翻盖和折叠两种状态的情况） 平均效率>50% 平均增益>-3dBi 7 天线的极化方向 垂直极化 1.4​ 手机天线应用中需注意的问题 1.4.1​ 手机天线与射频前端的配合问题 手机天线需要与射频前端匹配。这种匹配主要是阻抗的匹配。当工作在双频或多频方式下，由于匹配电路在不同的频段下具有不同的阻抗特征，共用的匹配网络需折衷多频段上的阻抗特性进行匹配。因此匹配电路会比较复杂。 单频天线匹配电路：单频天线的匹配电路比较简单，一般采用T型或pi型网络进行匹配。就可以达到很好的匹配效果。所以需要在射频前段预留T型或pi型网络。双频天线一般也可以采用这种匹配方式。 匹配电路示意如下： 多频天线的匹配电路：双频或多频的匹配电路有两种匹配方式。一种是天线主通路进行匹配。另外一种就是各个分支通路进行分别匹配。不过，目前主通路匹配的方式比较多。一般双频天线采用两级pi型网络进行匹配。具体电路图形式参考如下： 1.4.2​ 导电体对天线特性的影响 手机天线对于周边接地金属面十分敏感，像是电路板上的接地面或是电路板上防止静电用的屏蔽金属片都会严重影响到天线的辐射特性，当然孤立金属也作为无源散射体的对手机天线的电特性影响特别大。手机天线在手机结构中的位置决定了手机天线在手机中的电特性，如果手机天线的位置设计或天线周围的结构设计不好，带来的效率损失可能是致命的。我们拿三种手机常用的天线举例来进行说明： 1、​ 外置螺旋天线周围的结构要求和PCB布板要求： 外置螺旋天线如上图所示。 那么对于天线周围的结构的要求是： 最好在上图黑框的范围内，不要有屏蔽盒等金属的东西。主要是这样会引起天线与屏蔽盒之间的互耦，这样会降低天线的效率，而且匹配很难做。假如实在没有办法，那么，应该通过仿真软件计算，要求屏蔽盒与天线之间的耦合度<-30dB。这样才可以满足要求。根据经验值，800MHz的天线与屏蔽盒之间的距离要大于15mm左右。基本上对天线的影响就比较小了，（希望程胜翔将来用HFSS仿真一下） 另外，还有螺钉的要求，螺钉坚决不能在天线的周围，这样会对天线性能造成致命的影响。 上图是坚决反对的做法。 关于外置天线的PCB馈电的布线如下： 如上图所示。要求点如下： a、​ 要求天线馈电点下边的层不能覆铜。 b、​ 要求天线馈电点周围的地距离天线d>5mm c、​ 最好天线周围的地打上地孔保证地的完整性。 2、​ 内置PIFA天线周围的结构要求和PCB布板的要求： A、内置PIFA天线形状如下图所示： 因为形状像一个倒转的F，所以成为PIFA天线。一般目前PIFA天线最多可以做到3频天线。大概体积的可以做到： Dual band Triple band W *L > 30*20 mm, H > 6 mm W *L > 30*25 mm, H > 7 mm 结构工程师应该根据这样的数据进行结构设计。才能够满足天线的性能要求。 对于PCB布线的要求，馈电点位置的要求与外置螺旋天线相同。不同的地方在于PIFA天线有一个距离PCB的高度的要求。对于双频天线，要求至少大于6mm。对于三频天线，要求至少大于7mm。结构工程师应该特别注意。 3、​ 内置陶瓷蓝牙天线对周围的结构要求和PCB布板的要求：： 由于蓝牙采用跳频技术，灵敏度较高，而且数据速率比较慢，所以蓝牙对天线性能要求较低，可以采用低成本的LTCC技术的多层陶瓷天线。目前日本的muruta技术实力还不错。一般天线放置的地方如下图： 在上述4个位置放置是蓝牙天线比较合适的位置。当然有些外置的蓝牙模块，比如SDIO的蓝牙模块和USB的蓝牙模块，本身带有天线，我们就不再考虑了。而需要说明的是，WLAN的天线选型要比蓝牙天线选型要求严格很多。原因在于WLAN的传输速率比较高，又是OFDM的传播方式，对灵敏度和时延方面都有严格的要求。所以在天线选型中要仔细考虑。Muruta和epcos都提供内置的陶瓷wlan天线，体积方面就大很多，一般在25*5*3左右。 关于蓝牙天线的PCB布局要求和布线要求，一般等同于外置天线的要求。这里就不多说了。 4、​ PCMCIA卡的天线 PCMCIA卡的天线分为两种，单极子和偶极子天线两种。 偶极子天线如下图， 好处就是可以单独设计，受PCB的影响小，缺点是尺寸比较大。 而单极子天线受天线的影响比较大，但是优点是可以做的比较小。但是天线设计比较困难。 （这方面的积累不多，欢迎这方面的专家进行补充） 1.4.3​ 人体对手机天线特性的影响 人体对手机通信性能的影响主要是人体对天线的远区辐射方向图、输入阻抗、辐射效率、反射系数等方面的影响，人体对辐射功率的吸收程度主要依赖于人脑与天线之间的距离，在人脑距天线很近时约有一半左右的功率被吸收，而随着距离的增大吸收率急剧减小，因为在近场区，电场与距离的关系是平方关系，而远场是线性关系。 笼统的说，人体对外置天线的影响较大，内置天线由于有与人体间有一层阻挡而影响较小，事实上，对于上翻盖的手机，人体对外置天线的影响也是很小的。即使是内置天线，其所处的位置对天线特性的影响也不相同，对于PIFA天线，放在手机侧面时性能最好，但放在手机背面的天线对人体的辐射最小，这些问题需要综合考虑。 手的影响与天线的类型有关，对于外置式天线手的影响比较小，对于内置式天线手的影响则很大。这是因为内置天线与手持的部位较近，手的存在改变了天线的电流分布而造成的。 现在还没有人对手机天线在使用过程中处于各种状态下的特性进行定量的研究，各种状态包括使用中存在对微波具有高吸收能力的人脑、手机的形状改变（包括翻盖）等，事实上这些特性对手机天线的影响比单天线设计要重要。 1.4.4​ 手机天线对SAR（specfic absorption rate）的影响 在同一通信体制的条件下，一般来说，具有内置天线的手机对人体的电磁能量辐射要小于外置天线的手机，因为手机的PCB和金属屏蔽层会隔离掉一部分电磁波。同样是内置天线，天线所处的位置对天线特性的影响也不相同，对于PIFA天线，放在手机背面的天线对人体的辐射最小。同样的放在背面的微带贴片天线的SAR也较小。 手机的不同形态下同一天线的SAR值可能不相同，尤其是外置天线，手机形态对其辐射特性影响较大，同时了影响其SAR，对于一般的上翻盖手机，手机中部的外置天线的SAR可降阺许多。而且手机在翻盖状态下的SAR比合盖状态下的SAR要小。 综合结论：内置天线的SAR比外置天线的SAR小，外置天线在手机上位置和长度对SAR的影响很大。 1.5​ 天线的测试项目和测试设备介绍 1.5.1​ 天线的测试项目 天线的测试包括两方面的测试：电性能方面的测试和可靠性方面的测试。电性能的测试一般包括下面几项（需要说明的是，要在全频段范围内进行测试）： A、​ 驻波测试 B、​  方向图测试（包括E面和H面） C、​  平均增益和平均效率的测试 D、​ SAR测试 而其中驻波测试不仅仅用于天线的研发设计，也作为天线生产时的通过指标，用于质量控制。 而可靠性的指标测试包括 A、​ 拉力测试 B、​ 压力测试 C、​ 扭力测试 D、​ 跌落测试 E、​ 高低温循环测试 F、​ 烟雾霉变测试 1.5.2​ 手机天线的测试设备 1、​ 微波暗室 天线的方向图都要在微波暗室里面进行测试。微波暗室有转台，可以进行方向图的测试。为什么天线测试要在微波暗室进行，原因有两点，1就是微波暗室可以屏蔽外界的干扰。2、就是微波暗室有吸波材料，所以不会引起电磁散射。从而避免了多径效应。微波暗室的样子见下图： 2、​ 的喇叭口天线 标准的喇叭口天线主要是用来发射射频信号的。他的增益和比较精确的。方向性很好，可以降低对信号源的要求。所以，一般的天线测试都采用喇叭型天线作为发射天线。来进行天线测试。 3、​ 矢量网络分析仪 矢量网络分析仪是测量天线和调试天线的最重要的测试工具。一方面它可以用来测试手机天线的驻波。另外一方面也是用他来测量手机天线的方向图（通过S21测试）。如下图所示： 4、​ 手机综合测试仪（很多采用CMU200） 这个测试只有在进行SAR测试的时候才使用，主要是与手机建立一个链接，可以使手机稳定的发功率。这个大家都很熟悉。就不再这里描述了。 5、​ SAR测试仪 这个仪表是进行温升的测试，最后转换成mW/g。目前美国（不大于1.6mw/g）、欧洲（不大于2mw/g）对SAR值的测试标准，美国是以1g脑液测试，而欧洲是以10g脑液测试再平均给出。 1.6​ 手机天线与手机电路的连接方式 1 卡接式 卡式天线的模具费用要贵一些，但是大批量的加工成本两者之间相当。所以是否选用卡式天线，主要考虑工业设计方面。 2 螺纹连接式 螺纹连接方式为普通的连接方式，主要问题是连接效率低，这是最基本的连接方式。 3 插接式 如爱立信的手机天线的连接方式，其还可分为两种：1 带有导向的插入方式，2 无导向的插入方式。 4 触点焊接式 内置天线一般采用此种形式，内置天线的触点直接焊接到电路板上即可。 1.7​ 各种手机天线的特点与设计要点 1.7.1​ 螺旋天线 众所周知，螺旋线是一种慢波结构，螺旋天线实际也是一种慢波化的单极天线。由于螺旋线的作用，减小了电磁波沿螺旋线传播的相速度，因此天线的长度可以缩短。 天线的设计只需根据螺旋线的相速度求出天线的等效波长，根据单极天线的设计方式即可得出所求。 也正是由于螺旋线的慢波结构，使得天线的Q值高，带宽窄，天线的储能大，辐射效率降低。 多频段螺旋天线的设计方法见下节，其设计公式未见过，但可通过直立单极天线的结构来推导出。 1.7.2​ PCB板螺旋天线 PCB板螺旋天线实际是一种变形的螺旋天线，利用PCB板的介电常数进一步降低天线的尺寸而已。 1.7.3​ PIFA天线 PIFA天线是对倒F线天线的扩展而得到的。此天线的发展须序是―顶加载――倒L天线－倒F天线－PIFA。由此发展过程即可知天线的特性与优点。其特点是频带宽，体积小，剖面低。 下图是PIFA的基本图示： 图7PIFA的基本形式 PIFA天线相当于大量IFA天线的并联，其阻抗相当于许多线型天线阻抗的并联，因此平面型天线比线型天线的输入阻抗要低一些，不但产生了宽带谐振特性，并且缩小了尺寸。为了使天线产生自谐振，避免用有耗电路, 应尽量提高辐射电阻，减小损耗电阻，使天线系统保持一个足够高的效率。 其设计的要点： 平板单元的周长为半个波长左右时，产生谐振。 设计经验： 在实验中，我们发现天线的水平长度L1可以粗调天线中心频率的范围（选定一个高度H）；天线的宽度L2可以调节天线的带宽，过宽或过窄都会使带宽性能变差。 PIFA天线相对频带宽度有一个极限值，约为16%左右。 天线的高度H可调节天线的带宽范围和效率，一般H 越大，带宽越宽，效率越高，但H的增加不但使重量增加而且破坏了天线低剖面的特性。天线的馈点位置也会影响中心频率和带宽，一般来说，馈点离接地端越远，中心频率也越大，为了增加天线的输入阻抗，馈电点离接地端不要太近。 1.7.4​ 微带贴片天线 1.​  微带单元天线的特点与设计 微带天线是小型化、集成化的线天线主角，素以低轮廓、印刷工艺、便于与电路集成等优点著称，但又有频带窄和效率低的缺陷。微带贴片天线以其三维结构的灵活性受到各种不同设计目标的全方位开发。它既被单独用于手机天线中，也被广泛用作各种阵列天线的单元，既在工程设计中以型式多样而取胜，又多见于被电磁场数值分析用作典型实例。在微带贴片天线中应用光子晶体结构（PBG）来提高微带贴片天线性能的研究是现在的热点。 微带贴片单元天线的设计是非常简单，在此不作说明，下面主要讨论其小型化技术、多频实现、宽带实现的方法。 2.​ 微带天线的小型化技术 通过馈电点与短路点间的耦合电容来实现小型化。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细与位置，天线尺寸可缩减50％。缺点： 1 阻抗匹配严重的依赖于短路探针的位置与馈电点间的距离。 2 频带窄 3 H面的交叉极化电平较高 天线的谐振频率与介电常数成反比，采用高介电常数介质的主要问题是：激励出较强表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。 带宽窄， 但可以采用PBG结构抑制表面波，减小互耦合 当在贴片天线表面开不同形式的槽时，切断了原先的表面电流路径，使电波绕槽边曲折渡过而路径变长，在天线电路中相当于引入了级联电感。采用贴片开槽方式，还可以产生双频天线和圆极化天线。缺点：尺寸特别小时，天线的带宽变得特别窄，同时天线的增益也特别低。 这些方法的依据是使贴片的等效长度大于其物理尺寸。 矩形微带贴片天线一边的尺寸要求是介质中的二分之一工作波长，在微带贴片天线宽边引入不连续性仅仅依靠其自身开关的改变就可以使天线单元的面积大大减小，H形天线即采用此原理。 其是通过改变电流在贴片上的分布，增大贴片的等效长度来降低谐振频率。从物理意义讲，去除的两块贴片等效为在天线这个谐振腔中加入合适的电感，从而实现小型化的目的。 3.​ 微带天线的宽带化技术 微带天线的窄频带特性是由于其高Q的谐振特性决定的，展宽频带的方法即是围绕降低天线的Q值来实现。 1 采用厚基板 2 采用介电常数小或介质损耗大的基板材料 3 采用非线性基板材料，不同介质材料覆盖 4 附加阻抗匹配网络对馈电电路采用宽带阻抗匹配(如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈电)，谐振是并联谐振网络，馈电一般等效为一个电感。 如果是多频天线，用外部匹配电路来扩展低波段振子的电性能，即“加宽频带”。匹配电路一般采用高通设计，以便该匹配电路对高波段振子来说是透明的。这样的电路还可降低天线的最低工作频率。 5 采用多层结构，采用多贴片谐振。也可用无源振子来产生四极点响应，以增加天线的带宽。或将天线维持为二极点结构，必要时再通过匹配电路引入额外的极点。 一般来说，前三种方法的效果比较不明显，第四种方法需要设计宽带匹配电路，但电路结构复杂，制作难度比较大。因此我们采用第五种方法，该方法是利用多贴片耦合的方式，使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽。 4.​ 综述 事实上，这几种设计技术是相辅相成的。小型化设计时可同时产生小型化效果和双频段效果。而多频设计如果频率比较低，就成为宽带设计了。甚至微带天线的小型化、宽频设计和多频设计可以采有同一种技术获得，如H型矩形微带天线，虽然微带天线的小型化与宽带设计是矛盾的。如何使用各种技术来获得所需要的性能，需要综合考虑。 1.8​ 手机天线多频实现 双频天线相当于具有两个不同的振子，即低波段振子和高波段振子。较长的低波段振子在较低频率或者第一本征模处谐振。这一振子的物理长度大约相当于1/4波长，可根据局部介质效应和高波段振子的寄生旁路电容来修正。通常高波段振子在同一感性接地片两端呈高阻抗。高波段振子在较高的频率上谐振，加在高波段谐振阻抗上的负载是低波段振子在电感接地片两端的旁路寄生负载。在这一频率上，低波段振子的阻抗必定比高波段振子的阻抗要高。一般地这些振子并不是可以独立调谐的。每一个未用振子就是已用振子的一个寄生负载。调谐一个振子，就会对另一个振子产生明显的影响。 1.8.1​ 外置天线多频的实现方式 图8最简单的外置双频天线 图9最简单的螺旋双频天线 图10简单双频一体化螺旋天线 图11螺旋多频天线设计 螺旋多频天线，中馈电天线的下端是否接地取决于天线的设计者，不接地是不对称激励，接地是袖式天线。 图12内置与外置天线结合实现双频天线 1.8.2​ 微带天线多频的实现方式 简单贴片固有的窄频带由于近年来的叠层贴片、U型槽贴片等宽频带技术的发展已不复存在，根据现代通信的要求，研究印刷天线的一个重要方向是多频段。双频段天线的初步目标是地面通信900MHz模拟网与1800MHz数字网兼容的手机天线，以及卫星通信上行、下行频段共用的移动台天线。当两个工作频率远离时，用双频结构可以避免使用两个分离的天线，可简化系统的结构。 双频段贴片天线能够保证多个工作频段的分离和匹配。双频天线在两个频率上的辐射及阻抗匹配特性都应该相似。获得双频工作的最简单的方法是利用矩形贴片长、宽两个尺寸的第一谐振点,在这种情况下，双频的频率比(FR)几乎等于贴片的长宽比。这种方法在低成本、对极化要求不高的场合是可用的，,需注意的是，单路馈点时两个频率的输入阻抗要同时匹配 微带天线最简单的多频方式是在微带天线终端上接不同阻抗的负载，改变微带线的辐射频率，这种方式调节困难，只能同时工作在一个频段上。另外还有一种简单而好理解的是采用阻抗匹配网络形成两个谐振频率。 这里将微带贴片天线多频化的原理归纳为:正交模双频-双极化贴片天线(单层结构)、多贴片双频天线及电抗加载双频贴片天线和小阵列双频天线。 图13感抗加载双频天线 这种天线通过短路线加载到辐射边上，从而拉大第二个谐振点的位置，产生另一个频率。 图14探针馈电的槽加载贴片天线（线极化） 其是线极化双频感抗加载贴片天线。低端工作频率几乎和没有开槽的矩形贴片天线一样，高端工作频率可以由槽的长度控制。需要注意的是,槽的长度不能太短，而且也不能离辐射边太远，否则当工作在高端时，天线方向图可能会产生畸变。槽的长度约束着双频贴片的频率比。其第一谐振频率可由计算矩形贴片天线谐振频率的半经验公式求出；第二谐振频率可由传输线模型求出。这种结构可获得1.6-2.0的频率比。 图15探针馈电的单凹槽天线 图16探针馈电的双凹槽天线 这种形式的贴片天线产生双频的原理：主贴片与凹槽各产生一个谐振频率。上、下频率的方向图相似。 图17带有短路销钉的双频三角形贴片天线，能提供的频带比较大。 这种天线双频的产生机理与上而的形式相同。 图18单层多贴片双频天线（1） 三矩形贴片构成的双频天线 左右贴片通过两截微带线被耦合到中间贴片,中间贴片用探针馈电。这三个贴片的长度和宽度决定了两个谐振频率。对于这种长度大于宽度的矩形贴片天线,其低频端极化方向是Y方向;而在高频端极化方向是X方向,这种双频天线为正交极化。 图19单层多贴片双频天线（1） 叠层电磁耦合贴片(EMCP)一直被用于宽频带或双频段工作。如果两个叠层贴片的谐振频率相差得远,就可以获得双频工作。这种天线是微带天线设计中应用得最多的宽频与双频设计技术，不再作说明。 下面是一种特殊的EMCP，其特点是自双工多频形式。 图20自双工双频天线 阵列结构的双频天线： 图21十字形子阵双频天线 图22宽带双极化天线形式，频率：1700～1980MHz PIFA多频段实现方式： PIFA天线的双频实现只需在PIFA天线上的相关位置上开槽即可得到双频谐振特性， 图23PIFA天线及其双频形式 图24另一种PIFA双频天线的平面表示 图25PIFA双频天线三维示意图 图26PIFA形式的三频天线 1.9​ HDA（高介质）天线 1.10​ 各手机厂家所用天线情况 图27NOKIA 8210的天线 天线特点：采用PIFA内置天线，双频天线，空气介质 图28NOKIA 6210天线 天线特点：采用PIFA内置天线，双频天线，采用介质支撑，天线体积小 图29爱立信337的天线 天线特点：螺旋天线，看不出是双频的 图30爱立信T28S的天线 天线特点：天线扁平的外置天线，非螺旋，应该是PCB形式的螺旋 图31MOTO V60天线 天线特点：外置天线与内置天线集成在一起，两天线均为垂直极化，因此应该是实现双频的技术。 图32MOTO V120 CDMA天线 天线特点：采用记忆性合金制成的拉杆天线，此种天线在北美较流行。注意其与手机的连接方式，此种连接方式是标准的卡接式。 图33一各特殊的天线（闪光天线） 天线特点：此种天线在日本、台湾游行，对天线特性影响不好。但是比较时尚。 2​ 手机天线的选型与手机设计的配合问题 手机天线不同于基站天线，基站天线一般是标准件，设计生产完成一般由天线厂家决定，设备商购买即可。而手机天线一般是定制件，手机厂家需根据设备商的要求进行设计生产，几乎是每一种手机有一套自己的天线（当然也不排除同一厂家，同一结构的手机采用同一天线）。尤其是内置天线，几乎是一款手机一套天线。 需强调的是，每一种不同结构的手机需设计不同的天线，如果在不同的结构的手机上使用同一种手机天线，得到的结果可能大相径庭。 所以即使天线的模具相同，频段要求相同，应用在不同的手机上，也需要对匹配电路进行设计和调整，看是否可以满足要求。单频段的外置天线用同一个天线相对容易，而多频段天线和内置天线可能性很小。 2.1​ 内置天线选型与手机设计 内置天线现在最常用的是PIFA天线，其设计简单，尺寸小，对手机结构的要求较少。建议现阶段内置天线选用PIFA形式。 内置天线的开发，需与手机设计同步，在手机进行概念设计之时，即需考虑内置天线的设计问题，并与相关厂家进行使用。手机天线的性能测试也需与手机一体进行。 关于匹配电路和结构设计的注意事项，请参看第一章的第四节。主要包括四个方面： 1、​ PCB板设计注意事项 2、​ 内置PIFA天线的面积要求和高度要求 3、​ 结构的金属件与天线的相对位置关系。 4、​ 匹配电路形式 2.2​ 外置天线选型与手机设计 外置天线最常用的是螺旋天线，PCB印制天线正逐渐成为主流。建议现阶段外置天线还是选用螺旋天线。 外置天线的只需要考虑好选择何种结构的天线，在手机设计之初并根据天线的基本特性确定好天线的安装方式与安装位置即可，天线设计厂家根据接口要求设计。 关于匹配电路和结构设计的注意事项，请参看第一章的第四节。主要包括三个方面： 1、​ PCB板设计注意事项 2、​ 结构的金属件与天线的相对位置关系。 3、​ 匹配电路形式 2.3​ 手机天线选型的一般原则 根据天线频率： 频率低时，建议选择外置天线，因为内置天线需要较大的面积，从而对手机结构和设计提出较严的要求，导致手机设计困难。 根据手机结构设计要求： 直板式天线可选用内置天线与外置天线两种，外置天线适用PCB板式的天线，以减小外置天线的体积。 折叠式手机可选用外置天线，如使用内置天线，天线的放置位置需考虑，不要放在手机的下段。 如果天线长度较长，而天线置于手机的上端，可以考虑内置天线与外置天线两种，如果天线长度特别短，建议采用外置天线，最好是拉杆天线，用以降低操作者的影响。 技术限制方面的要求： 三频以上的天线不再考虑外置天线，因为此时天线设计困难，多频外置天线在各频段上的性能有下降。采用侧置天线可利用内置天线设计的灵活性来改善天线特性。 如果对天线的性能要求较高的单频、双频天线，采用外置天线可获得好于内置天线的电特性。 另外，手机用GPS天线一般是与主频段天线合在一起，做多频天线。而WLAN和bluetooth天线一般采用单独的天线。大概是业界的习惯吧。 3​ 现有手机天线的厂家情况分析与合作建议 3.1​ 现有手机天线厂商和技术规模对比 通过这一段时间的天线考察，我们了解到目前国内的手机天线厂商已经进入到了一个完全竞争的阶段。而且，已经成为世界手机天线的加工厂。据保守的估计，中国国内的天线出货量在2003年有3亿支以上。而且绝大部分由下面七大厂商生产。而这七大厂商中，其中三大厂商都号称他们的市场占有率为世界第一位，那就是上海安费诺，圣韵公司和天津加利。而Filtronic认为他们占有世界上30%的手机天线份额。因为他们占有nokia 80%的天线份额。 通过考察他们的工厂，我们发现在我们考察的工厂中，大家的规模都差不多。详细的对比在下面的表格里面。 天线厂商名字 天线厂商规模 联系人 地址 技术能力评估 安费诺（amphenon） 前身为台湾安亿 400-500人， 年产能7000万支左右 陈武斌 （结构工程师） 021-57630655-146 顾铮 （RF工程师） 021-57630655-309 这两个专门对口华为 上海安费诺永亿通讯电子有限公司 安费诺已经是我司的供应商。从合作的情况看，好像在天线加工工艺方面还有些问题，不过，测试设备比较齐全（包括微波暗室等），而且还有一个SAR的测试设备。基本可以满足我们的要求。只是在质量控制方面还需要我们多下功夫。 上海盛韵 （centurions） 美国厂商 400-500人 年产能7000万支左右 13916101255 印洪 市场经理 上海张江地区 上海圣韵，北京圣韵都是圣韵公司的。由于公司成立的时间比较早（1996年上海建厂）。所以设备方面有些老，但是可能经验会比较丰富。测试设备比较齐全（包括微波暗室等），但是没有SAR的测试设备。（北京圣韵有SAR的设备，所以可以在北京测试） 天津加利（galtronics） 400人左右 年产能7000万支左右。 吴小虎 市场经理 13603036780 天津MOTO旁边 与天津加利的技术交流发现，天津加利的技术水平感觉比较高，而且天线种类比较多，包括内置天线，拉杆天线，Pcmcia卡的天线等都是他们的强项。从样品来看，感觉做工比较精良。测试设备也比较齐全，而且有SAR的测试设备 上海安岗通讯电子有限公司 400人左右 年产能6000万支左右。 宋洁 销售工程师 13816682892 上海闽行地区 号称他们的产品价格方面很有竞争优势。而从设备方面来看，设备与安费诺很像，但是觉得生产管理好像更加有序（台湾人管理）。但是，测试设备方面没有SAR的测试设备。不过，由于成立的时间不久（2003年成立），好像除了外置的STUB天线外，别的天线种类比较少。 友华通讯 日本厂商 广东东莞 主要为TCL提供产品设计。日本厂商，因为还没有技术交流，所以对该厂商还不太清楚。 贝尔罗斯（Perlos） 芬兰厂商(目前在北京) 王黎 010－67879009 手机：13601258249 北京NOKIA附近，工厂在广州。 没有详细进行技术交流，所以规模方面还不是很清楚。只是知道 一、国内没有研发人员支持。二、价格比较贵，所以还没有重点考察。 苏州飞创（filtronics） 陈慧 13506201927 苏州工业园区 据苏州飞创的市场部经理陈慧介绍， 由于filtronic的产能的关系，在三季度之前不接我们的项目。所以就不再这里介绍了。 MURUTA 日本厂商 汪毅 13817692619 主要是陶瓷天线，用于bluetooth和Wlan 。也有用于PHS上面的天线 EPCOS 主要是陶瓷天线，用于WLAN和bluetooth 。也有用于GPS方面的天线。 3.2​ 天线厂商的选择策略 通过前一段时间的接触，我们得出下面结论： a)​ 据了解，安费诺和安岗是手机天线的低价倡导者。 b)​ 天津加利和上海圣韵有将近20年的天线设计经验 c)​ muruta的低温陶瓷烧结工艺比较有名 所以，我们的选择策略目前是： 天线类型 选择厂商倾向 已有天线项目 继续在原厂商进行 外置单频 安费诺或安岗 具体由采购确定 内置单频天线(CDMA或WCDMA) 安费诺或安岗 具体由采购确定 PCMCIA卡天线 目前还不能确定，等待调研结果 外置双频或三频以上天线（包括GPS等） 上海圣韵或天津加利，刚开始更倾向天津加利 PHS内置单频天线 一般金属片内置天线请考虑安岗或安费诺，村田有表贴的陶瓷天线，请项目组考虑决定天线采用类型 内置双频或多频天线 上海圣韵或天津加利 WLAN或bluetooth表贴天线 村田或Epcos，首推村田，注意WLAN天线要求较高 另外，结构工程师请根据原有天线项目模具能否共用方面，给出选择意见。最后，采购广爱国（表贴天线除外）综合情况决定。 3.3​ 手机天线厂家的一般的合作过程 下图是安岗公司的天线合作流程图，别的公司也基本大同小异。从项目进度方面来看，也就是在我们手机小批量生产前的3周-1个月开始重点关注手机天线的合作比较合适。 后加内容zhouyq Eg2