手机天线设计汇总飞图科技PPT课件

1、1 2021-11-11 一、天线的由来 二、天线的功能 三、天线的类型 四、天线设计注意事项 五、金属器件对天线的影响 六、天线支架设计 七、支架和天线的材料 八、相关术语介绍目录目录第1页/共40页2 2021-11-11一、天线的由来 人与人之间的通信最早是通过声音，随着长距离通信的需求，出现了用信号旗及狼烟通信。这些都在可视的范围内，随着人类的进步，电磁辐射的发现及研究才有了当今快速的通信，当然离不开天线。 天线是移动通信系统中重要的组件。它负责发射及接收电磁波。 设计天线的理论基础是Maxwell方程组。它把电与磁导入到同一个电磁场理论中去。第2页/共40页3 2021-11-11二

2、、天线功能 天线的主要功能是：接收和发射电磁波。 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）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后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。 手机不间断地与基站联系，依靠天线接收和发射天磁波，天线释放出的电磁辐射功率约440微瓦/平方厘米，天线的设计在结构上需要考虑天线的效率和SAR，对于各频段天线效率基本要求在30%以上。较高客户要求在45以上。第3页/共40页4 2021-11-11手机天线主要技术指标 手机频率：指手机

3、的频段，GSM，DCS 回波损耗：当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。 TRP/TIS：指天线的辐射功率和天线的全向接收灵敏度。 驻波比：指模块输入的驻波系数和天线反射的驻波系数之间的比值。驻波比值要1.5最好。 SAR：每千克的物质在单位时间内人体头部接受的电磁能量。第4页/共40页5 2021-11-11SAR在结构中解决办法 天线的性能和SAR是一对矛盾体。天线性能越好，SAR越不容易通过标准指标。所以设计天线时尽量将天线头部远离接听电话时人体的脑部。有时候需要设计成倾斜

4、的；有时候将天线放在手机的底部；或者涂导电涂料来解决SAR(但是对天线的性能有影响)。第5页/共40页6 2021-11-11三、天线的类型 按外观分类： 1、外置天线 2、内置天线(重点介绍) 按手机通讯制式分为： 1、GSM:850MHz/900MHz 2、DCS:1800MHz 3、PCS:1900MHz 4、CDMA1X:800MHz 5、WCDMA:2100MHz第6页/共40页72021-11-11内置天线主要种类 PIFA Antenna Monopole Antenna Chipset Antenna第7页/共40页82021-11-11 A、 外置天线空间要求 CDMA: 线

5、圈尺寸5.2*14mm GSM&DCS: 线圈尺寸5.2*14mm GSM&DCS&PCS: 线圈尺寸5.2*15mm GSM&DCS&PCS&WCDMA: 线圈尺寸5.2*15mm CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA: 线圈尺寸5.2*15mm第8页/共40页9 2021-11-11外置天线图片第9页/共40页102021-11-11B、PIFA天线空间要求 PHS: H6.5mm A200mm CDMA: H7.0mm A400mm GSM&DCS: H7.0mm A500mm GSM&

6、;DCS&PCS: H7.0mm A550mm GSM&DCS&PCS&WCDMA: H7.5mm A650mm CDMA&GSM&DCS&PCS&WCDMA: H8.0mm A750mm第10页/共40页112021-11-11L=3540w=1525H=68Feed PADGround PADGroundAntennaPIFA天线设计参考第11页/共40页122021-11-11C、Monopole天线空间要求 PHS: Ground镂空5mm 天线空间25*5mm CDMA: Ground镂空5mm 天线空间30*5mm G

7、SM&DCS: Ground镂空7mm 天线空间30*8mm GSM&DCS&PCS: Ground镂空8mm 天线空间30*8mm GSM&DCS&PCS&WCDMA: Ground镂空12mm 天线空间30*10mm GSM&DCS&PCS&CDMA&WCDMA: Ground镂空12mm 天线空间35*10mm第12页/共40页132021-11-11Monopole天线设计参考1、天线垂直PCB装配第13页/共40页142021-11-112、天线平行PCB装配第14页/共40页152021-11-11手机

8、内置天线比较PIFA和单极天线的综合比较PIFA和单极天线适合机型比较第15页/共40页162021-11-11主板设计(主要是内置天线) 手机PCB的尺寸对天线影响很大，(直板机)一般要求长在90-120mm左右，宽在35-50mm左右。 某些超薄机出于设计考虑，尺寸很短，建议在电池下面铺金属板，与PCB 充分连接，保证PCB的尺寸相应长度。5738见右图第16页/共40页172021-11-11PIFA馈点的设计一、天线馈点应尽量靠近PCB的边缘，尺寸建议2X3(mm)，如右图黄色区域。馈点和接地点之间的距离与天线的阻抗有关系，建议其尺寸不要太大，23mm即可。二、馈点下边缘与PCB地之间

9、的距离2mmFeed PADGround PAD第17页/共40页182021-11-11 一、单极天线一般为单馈电，尺寸大小为2X3(mm)。PAD下边缘距离PCB地最好5mm。二、对于一些极限情况，如天线空间很小，周边器件较多等，可以加一个馈地点用来拓展带宽，具体位置视不同手机而定。第18页/共40页192021-11-11超薄直板手机应用PIFA的方案PIFA的GroundPIFA的Patch馈电接地PCB带地LCD电池7mm第19页/共40页202021-11-11超薄直板手机应用PIFA的方案u把PCB在天线区域截断，用一块良好接地的金属片紧贴手机Top面，使得PIFA的地降低；PI

10、FA的patch则贴近Bottom面，这样可以充分利用手机内部的厚度。PIFA的高度要求还是不难满足的。u此种方案的缺点在于LCD的位置偏低，如果ID设计的卖点是大LCD且位置偏高，则不适合这种设计。第20页/共40页212021-11-11超薄直板手机应用单极天线的方案馈电点电池LCDReceiver净空区8mm至少5mm此空间可以放没有金属底座的Camera sensorPCB带地第21页/共40页222021-11-11超薄直板手机应用单极天线的方案 采用单极天线方案的要点是有一块净空区域在板的端部，净空区域一般宽8mm。该区域没有地，且一般没有器件进入。 考虑ID设计要求出音孔不能太低

11、，speaker或者receiver势必要进入上述的净空区域。折中的设计是不可避免的。问题在于寻求一个两方面都可接受的平衡点。 根据我们的实验判断认为，磁声器件在单极天线的净空区域内，在手机厚度方向拉远器件和天线的垂直距离没有明显的好处且增加手机厚度；而沿手机主板长度方向移动器件是有巨大作用的，2mm的距离足以增加1dBi的增益。 此种结构布局LCD可以放得较高，ID设计都比较符合时尚，但单极天线的性能可能由于较少的净空区，其它器件的影响，会大幅度的降低。第22页/共40页232021-11-11 Speaker和Receiver的影响uSpeaker和Receiver中间是一个线圈，长度约在

12、40-50mm左右，加上不同长度的信号线可在不同的频段产生谐振，降低天线性能。uSpeaker和Receiver本身的高频音频信号会在低频段产生干扰。u一般在两根信号线上各串联一个100nH电感，可有效消除其影响。100nH五、金属器件对天线的影响第23页/共40页242021-11-11 uMotor对天线性能影响很大，特别是在工作状态(震动)下。因此一般要求其距离天线馈点在10mm以上，同时为了提高天线效率等，天线在Motor上方周围区域尽量不布线。uCamera正常情况下影响很小，但有时Flash的引线FPC过长，会干扰到天线，故FPC长度越短越好。Motor和Camera对天线的影响第

13、24页/共40页252021-11-11装饰件对天线的影响u机壳周框（上盖和下壳）和天线附近经常会有金属装饰件或电镀装饰件，如果它们的尺寸和工作频段波长成比例，会对天线产生极大干扰。u图一周框电镀层使功率和灵敏度下降3dB，故在两肩部分截断。u图二为Camera周围的装饰件，尺寸较大，灵敏度下降了5dB，后整体尺寸减小一圈后影响消失。电镀截断，改善性能整体尺寸减小一圈后，干扰消失。第25页/共40页262021-11-11特殊设计的案例uMoto V3面世后，很多Design House仿照其进行设计，出来的结果GSM功率很差，不是其机板设计问题，而是出在Ground的延伸上。类似手机天线都位

14、于下端，打开状态时，上板和下板连接起来长度太长，约160mm，影响了GSM频段的辐射。研究V3手机可以发现，即使连接前后板的FPC断开，两者的Ground也是连通的，整个金属外壳和板子的Ground是一体的，这样电流回流实际上就缩短了板子实际尺寸，保证了GSM 频段的性能。类似手机设计时，不仅要保证FPC连接前后板，还要在板子另一侧把Ground也连通。第26页/共40页272021-11-11六、天线支架结构设计注意事项 1、支架平面 2、热熔柱 3、支架固定 4、天线弹片第27页/共40页282021-11-111、支架平面 支架平面:尽量是完整的平面或连续的曲面。 曲面上的天线需随曲面弧

15、度进行折弯，容易出现天线与支架间不贴和，有缝隙。若贴和不稳定会影响天线性能，也容易与外壳有干涉。第28页/共40页292021-11-112、热熔柱 热熔柱的作用：将天线定位以及天线与支架的固定。 在支架设计时需要预留出来天线的高度及热熔柱热熔后的高度。天线厚0.2mm，根据经验，通常要求热熔柱热熔后与天线的距离保持在0.3mm。即，需要预留出至少0.5mm的高度，以避免与壳体有干涉。 天线弹片处的热熔柱较重要，一般会设计直径为1.2mm。第29页/共40页302021-11-11 3、支架固定 支架的固定形式因ID异，采用定位柱和卡扣与PCB板固定是最佳的固定方式。其中卡扣的一些参数设计较关

16、键。第30页/共40页312021-11-11 亦可以设计用镙钉固定支架与PCB板，但镙钉是金属件，会对天线有一定影响。 支架与壳体固定，存在着双重定位，即支架与PCB的定位，支架与壳体的定位。需要定位准确以保证天线弹片与馈点的良好接触。第31页/共40页322021-11-114、天线弹片 馈点位置需RF工程师与硬件工程师讨论确定，PAD尺寸至少保证在32mm，PAD间距保持在2mm以上。 支架结构设计也需考虑到PAD位置，天线和PAD需要合适的距离，以保证天线和PAD的良好接触。第32页/共40页332021-11-11七、材料1、支架材料： 天线支架使用的材料主要有ABS、PC。二者比较

17、，ABS塑性好，PC材料的硬度高。材料会根据结构选用，亦可根据硬件要求，做成透明，以方便观察支架下的元器件。2、天线材料： 一般采用铍铜，镍铜，磷青铜，硬度分为H、H/2、H/4。厚度一般采用0.2mm或0.15mm。也可用不锈钢片和FPC 金属材料性能从高到低为：铍铜镍银磷青铜不锈钢SUS（301或302头部镀金）第33页/共40页342021-11-11八、相关术语介绍 Return Loss-回波损耗 Smith Chart-阻抗圆图 Dipole-振子天线 VSWR-驻波比 Band Width-带宽 Isotropic-理想电源天线 Gain-增益 Efficiency-效率 Pol

18、arization-极化 Directivity-方向系数 Impedance-天线阻抗 Frequency-工作频率第34页/共40页352021-11-11回波损耗-Return Loss-Return Loss 当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。 回波损失RL=-10log第35页/共40页362021-11-11阻抗圆图Smith ChartSmith Chart Smith Chart 是表征微波器件的阻抗特性的工具。它适用于任何特性阻抗的系统，通常的系统的特性阻抗为 Z050。Smith Chart 通常为归一化的表达方式。 即ZZL/Z0 如下所示为Smith Chart 的电感及电抗的曲线。第36页/共40页372021-11-11阵子天线DipoleDipole 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地、独独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振