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    手機天線設計 相關常識
    日期: 2013-8-6 瀏覽: 1393

    手機天線設計  相關常識

    A.手機天線原理介紹
        天線﹐是電波的換成能器件﹐用以發射和接收電波。天線把在電路里流動的高頻電流通過電磁感應轉換成高頻電磁波向外輻射﹐高頻電流流過任何導體時﹐導體內部的電子隨高頻電流一起振動﹐在導體外面空間會感應激發電磁波。天線也把空間的電磁波通過感應轉換成高頻電流﹐因此﹐天線收發是互逆的。

    B.天線的幾個常用術語
        天線增益:某一方向的天線增益是指該方向上的功率通量密度和理想點源或半波振子在最大輻射方向上的功率通量密度之比。增益與天線方向圖的關系:方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。

        垂直極化:常以大地作為標準面。凡是極化面與大地法線面平行的極化波稱為垂直極化波。其電場方向與大地垂直。如果天線采用垂直極化,那我們希望的結果是水平波束寬度最小。

    201386121626373.jpg

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    C. 天線設計

    201386121715383.jpg

    (一 PIFA天線設計注意事項

    1, 內置天線盡量遠離周圍馬達、SPEARKER、RECEIVER等較大金屬物體。有時候有攝像頭出現,這時候應該把天線這塊挖空,盡量作好攝像頭FPC的屏蔽,否則會影響接收靈敏度。盡量避免PCB上微帶、引線等與天線彈片平行(平行會產生寄生電容)。

    2, 內置天線附近的結構件(面)不要有噴涂導電漆等導電物質。

    3, 手機天線附近區域不要做電鍍工藝以及避免設計金屬裝飾件等。有環形的金屬圈就要接地. 裝飾件,通過導電布接到入件上再接到電路板的邊緣,即導地。

    4,內置天線正上、下方不能有與FPC(排線)重合部分,且相互邊緣距離3mm以上。

    5,內置天線與手機電池的間距應在5mm以上。

    6,手機PCB的長度對PIFA 天線的性能有重要的影響,目前   直板機PCB的長度在75-105mm之間這個水平。

    7,饋電點的焊盤應該不小于2x3mm;饋電點應該靠邊緣。

    8,天線區域可適當開些定位孔。

    9,在目前的有些超薄滑蓋機中,由于天線高度不夠,可以  通過挖空PIFA天線下方的地,然后在其背面再加一個金屬片,起到一個參考地的作 用,達到滿足設計帶寬的要求。

    10,天線空間一般要求預留空間:W、L、H,其中W15-25mm)、 L35-45mm)、H6-8mm)。其中H和天線諧振頻率的帶寬密切相關。W、L決定天線的最低頻率。如果天線面積如下:

                                                                                                                 雙頻(GSM/DCS):600x6~8mm

                                                                                                                  三頻(GSM/DCS/PCS):700x7~8mm

      則GSM頻段的效果會比較理想。

     

    如何增加天線帶寬

          增加厚度或采用平面/非平面層狀無源器件可改善微帶天線帶寬,但會使天線尺寸增大。驅動單元和天線無源單元的長和寬通常在一個半波長到1/4波長范圍內。

     

    (二 )單極天線設計注意事項

     

    單極天線的設計要求與PIFA天線大多相同,相同項不再贅述。

    1. 天線的寬度應該不小于15mm。

    2. 單極必須懸空,平面結構下不能有PCB的Ground,一般內置天線必須離主板3mm(水平方向),在天線正下方到地的高度必須保持在5mm(垂直方向)以上。如下圖

    201386132812499.jpg

     

    3. 由于MONOPOLE天線沒有參考的地,SAR一般比PIFA天線大,實際應用中受到限制,且這是測試的難點,但是效率一般比 PIFA高。離電池要5mm以上。

     

    PIFA天線設計步驟

     

        取一塊大小與天線支架差不多的銅箔,將銅箔粘貼在支架上,根據支架走勢和周圍元器件布置情況而設計出天線初步外形。

    天線長度要求:

                         天線長度一般取天線輻射波長的1/4?,F在天線一般是多頻段的,我在以前設計天線時(沒有3G頻段),一般在GSM900的天線長度基礎上試驗。

     

    測試天線VSWR

        VSWR<1.5時所對應的頻段我們認為是有效頻段,怎樣增加有效頻段寬度,這是天線設計的關鍵所在,也是最直接、最難的地方,大家有興趣的話可以做一下研究。

          測試時,把網絡矢量分析儀校正,然后用電烙鐵把主板上的測試孔取下,然后把饋線內的芯線和芯線外層金屬部分別焊在測試孔下的焊盤上。再把拆下的手機各部分安裝,最后把饋線的另一端連接到矢量分析儀上進行測量。

          測試時要求手機部件全部安裝,盡量以最真實的情形來模擬用戶使用時的情況。

    用網絡失量分析儀測量出來的VWSR圖形,雙頻天線有效VSWR(G900&1800)

       

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        上圖是一張理想的VSWR圖形,大多數天線的頻段對應的VSWR是分成不同有效部分的,也就是說VSWR可能有一個以上U形曲線。如果是四頻天線(GSM),則有可能有兩個以上的U形曲線。三頻天線(G900、D1800、P1900)一般共用一個。

        我們說的共用不是說不能有兩個U形線,實際中是有的,如果VSWR達到理想的數值,則可以進行下一步測試---暗室測試

    3.暗室測試  

       暗室測試比較簡單,一般分為2D測試和3D測試,3D測試能比較全面的測試天線性能,但是設備成本比較大,大多數天線廠家都建設的是2D暗室,深圳的康佳集團有一個3D暗室。下面介紹一下2D測試內容:

    201386133213903.jpg

     

    TX標準:30~32dB

    RX標準: -100~-110

    Sensitivity標準:-100~-110

     

    附G900&D1800頻點計算

    1. GSM900MHz

     上行信道頻率﹕fl(n)=890.2+(n-1)*0.2MHz

     下行信道頻率﹕fh(n)= fl(n)+45MHz         (1 =<n<= 124 )

    2.  GSM1800MHz

     上行信道頻率:fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2MHz

     下行信道頻率:fh(n)= fl(n)+95MHz           (512 =<n<= 885)

     

    TX   的   標   準:30~32dB

    RX   的   標   準:-100~-110

    Sensitivity的標準:-100~-110

     

        如果在天線測試中達到以上標準,則可以發數據報告給客戶,客戶如認可數據,則可以把設計的天線交付模具組,模具組根據設計尺寸,制作出初級天線模型,再進行暗室測試,OK則模具組將天線尺寸參數交付工廠開模生產,Fail則模具組繼續修改。每個天線表面都會開一些小孔,有人是稱定位孔,也有人稱是散熱孔,自認為兩方面都有道理。

     

        Monopole的設計與PIFA天線設計流程是相同的,測試標準也是同等對待。

     

    PIFA與Monopole的優劣

    1.PIFA皮法天線如按要求設計環境結構,電性能相稱優越,包括SAR指標,是內置天線首選方案。

    2.Monopole天線投影區域不能有鋪地,或無PCB,同時也不要安排馬達、SPEAKER、RECEIVER等較大金屬結構的元件。由于單極天線的電性能對金屬特別敏感,甚至無法實現.綜合來說PIFA天線對環境要求不太高,比較容易實現,性能也能達到一般要求,所以大多手機(山寨)都首選這種天線。

     

    D. 手機天線常用種類

    1PIFA

    PF天線或者倒F天線(Plane  Figure Antenna)

    201386133350968.jpg

     

    2Monopole

          即單極天線

    201386133440823.jpg

    說明:PF天線和單極天線包含的常用種類分為兩種:

                                                                       1>彈片式

                                                                       2>貼片式(FPC)

     

     

    Apple N90 GSM&UMTS 天線

    PIFA天線等效圖     常用匹配等效電路

     

                     201386133517371.jpg

        PIFA天線等效圖如上,由L2與C1構成一個偏向電容性的諧振,之后與L1電感諧振,就是通過L1,L2,C1把傳輸線過來的能量升壓到C1上,之后利用C1這個場空間把電磁場能量釋放出去,所以對C1來說,必需要求天線跟地之間有一定的高度,一般不小于7mm,最少不低于5mm。為了提高天線頻帶,再引入一個C2,再引入地,同時在天線周圍多設接地點。這樣讓電場有更廣泛的輻射。N90天線就是利用多個接地點來提高帶寬的。

     

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