手机天线原理和设计

手机天线原理和设计天线基本概念•ReturnLoss（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×EfficiencyEfficiency＝OutputPower/InputPower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XYZ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(withGain)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。AreaofpoorcoveragedirectlyundertheantennaBeamwidthSideView(VerticalPattern)TopView(HorizontalPattern)•EIRP（EffectiveIsotropicRadiatedPower）EIRP=transmitterpower+antennagain–cablelossPowerSettingdBm100mW20dBm50mW17dBm30mW15dBmGain@6dBiPatchEIRP6dBi26dBm6dBi23dBm6dBi21dBm20mW13dBm15mW12dBm5mW7dBm1mW0dBm6dBi19dBm6dBi18dBm6dBi13dBm6dBi6dBm内置天线分类•PIFAPlanarInvertedFAntenna•InternalPlanarMonopole内置平面单极天线•InternalHelix内置螺旋天线手机结构vsPIFA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vsPIFA天线（直板机）（二）L=35~40w=15~25H=6~8FeedpinshortpinGroundAntenna手机结构vsPIFA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•ShieldingCase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。2mm2mm天线馈点和接地的摆放（红色为馈点，蓝色为接地）手机结构vsPIFA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vsPIFA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PCBFeedStrip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PlanarMonopolevs手机结构设计•内置PlanarMonopole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FeedPoint和PCB上的Pad相连。内置天线结构种类1.StampingStamping热熔到Housing内侧，Stamping伸出spring与手机PCB连接2.Stamping+SupportStamping热熔到Support上，连接用spring3.Stamping+Support+Pogopin(正、反)Stamping热熔到Support上，连接用PogoPin。正向使用PogoPin一般适合于带support的结构，反向使用都可以。天线PogoPinPCB天线PogoPinPCB正向使用PogoPin的反向使用PogoPin的•FPC•FPC+Support+FPC连接器•FPC+Support+Pogopin(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。