Antenna-讲义解析

2��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.天线简介天线开发流程天线测试大纲3��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.发射电路输出的高频电流，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点以后，由天线接下来，并通过馈线送到接收电路。由此可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，其实就是一个能量转换器件。天线是外部空间电磁波/电磁场与内部电路联系的桥梁和纽带，没有天线也就没有无线通信。对于众多品种的天线，可进行适当的分类：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线(3～30MHz)、超短波天线(30～300MHz)、微波天线（300MHz-300GHz）等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。天线简介4��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.（a）中，发射机产生射频电流给一段传输线，电场垂直于导线表面，由于传输线两导体间距离很近，电场几乎全束缚在两导线间，辐射很弱；（b）中，两根导线逐渐张开，电力线变长，但依然保持垂直于导线表面，辐射效果不是很理想；（c）中，两根导线张开垂直于传输线，电力线变长到达一定长度，从而允许电力线脱离传输线而形成辐射；天线简介5��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.特性阻抗：Z0＝50ohm由来：1.損耗比較小（最小時電阻為75ohm，TVcable採用）2.傳輸功率比較大（最大時電阻為30ohm，PCbus採用）天线简介6��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.为了使天线实现指定的功能，必然要对它提出一些具体要求，这些要求称为无线电参数，例如驻波比（VSWR）、方向性系数（Directivity）、增益（Gain）等等。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。传输线的导行波到达天线输入口，一部分能量被反射回去，一部分继续传输最后通过天线发射出去。发生反射的原因是由于天线输入阻抗ZL与传输线的特性阻抗Z0不匹配，ZL是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线简介+-V(d)d=ld=0I(d)IN(d)0ZOZL7��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.反射系数：反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）的比值。由于电压容易测试，所以一般所指的反射系数都是电压发射系数，可以表示为由公式可以看到，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗（50欧姆），此时无反射，能量完全给天线。电压驻波比：如果ZL不等于Z0，反射系数一定不为0，此时天线输入端的电压与电流均有入射波与反射波的叠加，电压振幅最大值与振幅最小值记为电压驻波比VSWR（VoltageStandWaveRatio）。天线简介OLOLINZZZZd008��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.回波损耗：由于反射系数既有幅度又有相位，是一个复数，使用起来不太方便，因此引入了另外一个量，回波损耗（ReturnLoss）；反射系数、电压驻波比与回波损耗，是衡量天线匹配优劣的三个重要指标，三个参数间有固定的数值关系（见下图），使用哪一个都可以。天线简介9��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.天线发展历程：1、尺寸越来越小；2、频率越来越宽；3、越来越便于设计；4、成本越来越低；天线简介Di-PoleAntennaMono-PoleAntennaHelixAntennaLAntennaIFAAntennaPIFAAntennaCeramicAntenna10��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.DipoleAntenna（对称振子天线）11��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.Mono-PoleAntenna（单级天线）12��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.HelixAntenna（螺旋天线）13��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.LAntenna（L型天线）14��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.IFAAntenna（F型天线）15��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.PIFAAntenna（PIFA天线）16��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.PIFAAntenna（PIFA天线）17��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.CeramicSMTAntenna（陶瓷天线）18��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.天线简介天线开发流程天线测试大纲19��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.首先来看看天线的正面，黑色的是基材，附于铜的表面起保护、绝缘作用，也有白色等其他颜色的基材（如下图）。再来看看天线的背面（从上层至下层依次是：3M胶、基材、铜、基材），基材将铜包裹在里边。天线开发流程20��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.有些天线是贴在支架上，部分手机结构设计为节省空间，会把一些扬声器、麦克风等部件设计在支架内。也有的天线不使用支架，直接贴在手机壳上。支架正面：支架背面：天线开发流程21��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.首先需要明确一点：要有整机才能调试天线。壳体材料、工艺都要先确定，因为这些对天线性能影响很大。下图是一款手机的工艺图，注明了各零部件所用材质。天线开发流程22��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.天线工程师在开发天线之前需要拿到一部完整的手机、一块完整的电路板、天线支架，并且要求与最终出货的手机材质保持尽可能的一致。将铜箔贴在手机支架（如果有支架）或者外壳之上，天线工程师再用小刀刻出各种条形：将样品手机装上带铜箔的天线，用网络分析仪进行无源测试，测试性能。性能不理想的话，用刀片将铜箔进行修改，加焊点等，直到无源数据达到理想状态。天线开发流程23��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.无源测试怎么测？把同轴线的一端焊在主板的馈电点，另一端连接到网络分析仪上，网络分析仪要把参考平面校准到50欧姆。天线开发流程24��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.为了确保测试结果的准确性，通常会把手机的零部件（尤其是天线附件的元器件）全部装上，然后再进行无源测试。天线开发流程25��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.参考网分的无源测试数据，调节天线走线。一般是走线都试了还调不好，才会调主板PA到馈点的匹配电路，匹配很多时候只能当微调用。无源数据达到理想状态，此时所刻画出来的铜箔可以进行有源测试了。天线开发流程26��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.可先用三角锥进行粗略的发射功率、灵敏度测试，再进入暗室进行有源测试。相对于无源数据而言，测试有源数据要重要的多，因为手机终归是在整机情况下通话的。若有源数据出现问题，有时可通过调节整机环境（即不调天线）来进行改善。当有源数据达标以后，此时的铜箔就可称为“天线手板样”，可送给天线厂商开模打样。天线开发流程27��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.天线简介天线开发流程天线测试大纲28��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.测试设备微波暗室为什么天线测试要在微波暗室进行，原因有两点，1、微波暗室可以屏蔽外界的干扰。2、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。天线测试29��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.测试设备标准的喇叭口天线：标准的喇叭口天线主要是用来收发射频信号的。他的增益、方向性很好，可以降低对信号源的要求。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）。天线测试30��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.测试设备综合测试仪（CMU200、Agilent8960）：主要是与手机建立一个链接，可以使手机稳定的发功率。SAR测试仪：天线测试31��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.无源测试（Passiveantennatest）驻波比、回波损耗：对于天线而言，希望反射的能量越少越好，用驻波比来表示反射的多少，尽量接近1为最佳。驻波比反映了天馈系统的匹配情况。它是以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量（对于天线而言，重点强调能量关系，而不像传输线那样强调电压之间的关系）的比来衡量天线性能的。方向系数：定量的表示天线定向辐射能力的电参数。定义：在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度和无方向性天线（点源）的辐射功率密度之比。对于手机天线而言，要求方向系数越弱越好，因为手机天线需要尽量做成全方向性的，而不是在某个方向辐射特别强。天线测试32��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.无源测试（Passiveatennatest）增益:增益系数表示天线的定向收益程度。定义：在同一距离及相同输入功率条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度和理想无方向性天线的辐射功率密度之比。例如：如果用理想无方向性点源作为发射天线，需要100W输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线，输入功率仅需100/20=5W。效率：天线效率指天线的辐射功率（Prad）与输入功率（Pin）之比，也就是天线将馈点处的输入功率Pin辐射出去的能力。效率单位是百分比，即%。对于内置天线而言，要求效率至少在30%。天线的效率是很难通过计算获得的，天线本身的能量损耗主要是由于天线作为导体对信号的损耗，包括介质损耗（基板引起的、手机内磁铁引起的）和金属损耗（尽管很小）。天线测试33��©2011LenovoConfidential.Allrightsreserved.有源测试（Activeatennatest）TRP（TotalRadiatedPower）通过对整个辐射球面的发射功率进行面积积分并取平均得到，反映了手机整机的发射功率情况，跟手机在传导情况下的发射功率以及天线辐射性能有关。天线测试34��©2011LenovoConfidential.Allrights