手机内置式天线设计
天线基本概念 Return Loss(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 × Efficiency Efficiency=Output Power/Input Power
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。 XY平面为H面,YZ面E1面,XZ面E2面。 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。 Z 基站 Y X
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 (with Gain) 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。 Area of poor coverage directly under the antenna Beamwidth 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。
EIRP = transmitter power + antenna gain – cable loss EIRP( Effective Isotropic Radiated Power ) EIRP = transmitter power + antenna gain – cable loss Power Setting dBm 100 mW 20 dBm 50 mW 17 dBm 30 mW 15 dBm Gain@ 6 dBi Patch EIRP 6 dBi 26 dBm 23 dBm 21 dBm 20 mW 13 dBm 15 mW 12 dBm 5 mW 7 dBm 1 mW 0 dBm 6 dBi 19 dBm 18 dBm 13 dBm 6 dBm
内置天线分类 PIFA Planar Inverted F Antenna Internal Planar Monopole 内置平面单极天线 Internal Helix 内置螺旋天线
手机结构 vs PIFA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 vs PIFA天线(直板机)(二) short pin Feed pin w=15~25 L=35~40 Antenna H=6~8 Ground
手机结构 vs PIFA天线(直板机)(三) 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 Shielding Case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 双频(GSM/DCS):600 ×7~8mm PIFA需要的空间大小视乎频段和射频性能的需求。 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。
天线馈点和接地的摆放 (红色为馈点,蓝色为接地)
手机结构 vs PIFA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 vs PIFA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
Feed Strip 天线低频部分 塑胶支架 38X6X4 PCB 天线高频部分
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Planar Monopole vs 手机结构设计 内置Planar Monopole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Feed Point和PCB上的Pad相连。
内置天线结构种类 天线 天线 Pogo Pin Pogo Pin PCB 反向使用Pogo Pin的 PCB 正向使用Pogo Pin的 Stamping Stamping热熔到Housing内侧,Stamping伸出spring与手机PCB连接 Stamping + Support Stamping热熔到Support上,连接用spring Stamping + Support + Pogo pin (正、反) Stamping热熔到Support上,连接用Pogo Pin。 正向使用Pogo Pin一般适合于带support的结构,反向使用都可以。
FPC FPC + Support + FPC连接器 FPC + Support + Pogo pin (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。 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。