手机天线原理和设计

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。