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手机天 线设计的挑战和发展趋势

目录:技术专区 人气:9 发表时间:2011-10-12 13:22:51
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摘要:随着手机日益普及,用户对 手机的需求也变得越加苛刻起来,小型化,个性化,超薄,旋屏,多功能 等等设计需求旺盛,手机设 计师们面临的是更加激烈的挑战,从手机天线的角度来看,手机变得越来越小,频带越来越多,带来的设计挑战也就越大。

一、手机天线的发展趋势
    目前手 机上广为应用的小型内置天线,多为PIFA型天线,因型似倒置大写字母“F”而得名, PIFA天线的 辐射体被安装在接地层的正上方,使用时 天线辐射片与人脑之间正好相隔PCB板,这样就 大大降低了辐射对人脑的影响,同时,PIFA天线兼顾天线小巧,结构易实现,外观等级要求不高,天线生 产一致好等等诸多特点,至今依 然在手机内置天线市场上,属于主流设计。
    随着手机进一步普及,用户不 在局限于手机基本通讯功能,对手机 外观与功能的需求变得挑剔起来,传统PIFA天线方 案由于体积的局限,显然不 能满足天线射频要求,也给天 线设计者带来更大的挑战。

二,当前手机天线设计挑战及存在问题
    小型内 置型手机天线为电小类天线,各方向 的辐射性能差异不大,从最终整机的OTA的测试性能来讲,小型内置天线,有两个 非常重要的性能指标分别为效率与带宽。作为手机的一部分,手机天 线最终性能如何,除了与 手机的接收机的性能好坏有关外,更为关 键的是手机本身的射频环境,以下列 出当前手机天线设计过程中存在的设计挑战与问题。

  1.  超薄迷你型手机
        手机厚度不足,主板长度不足,致天线有效空间不足,天线效率不足
  2.  多频天线
        GSM850、GSM900、DCS、PCSTDS-CDMA、WCDMA、CDMA2000等等或 其中三种以上制式的组合,如GSM850、GSM900、DCS、PCS致天线带宽不足
  3. 手机造型奇特
        旋盖,旋屏,滑盖,翻盖,或其中任意组合,天线在 手机中的位置不利及有效空间不足, 致天线效率、带宽不足
  4. 手机外 观多为金属配件或含有金属成分的装饰器件
        金属器 件特别是靠近天线的金属器件,或者未 处理好接地的金属器件对天线产生的影响非常大,导致天线效率、带宽不足
  5. 手机内 部空间布局紧凑
    天线周 围布满各类器件,如speaker、camera、LEDmic、键盘板等等,影响天线的性能。

三、优化天线性能的思路
1、 天线外在的环境处理
1.1     去除不必要的金属地,天线面投影处全部净空,采用monopole天线方案,提高天线效率,monopole天线所需体积与PIFA相比更加小巧,通过去除辐射片下面PCB的地层,减少辐射片与PCB板地之间的耦合,大大减 少了对天线实际的体积需求,从而使monopole天线达到PIFA天线自 由空间的同等效果,且需求的体积不足PIFA一半,但缺少的PCB地层的阻隔,monopole天线对 人脑的辐射比较大,同时,人手与 人脑对天线谐振的影响相对比PIFA而言也比较大。
1.2     延长手机的板长,对于超小迷你型手机,作为天 线的辐射体一部分的PCB,其板长 对手机天线影响也犹为重要,正常手机宽度在为40mm情况下,PCB相对工作波长系数为0.4时,天线lowband900Mhz与upper band1800Mhz相对带 宽呈现最大峰值。

2、 天线的材料选择,选择更好的材料,提升天线性能。
2.1 导电材料的选择
    不同的 导电材料对天线最终性能的影响也是很明显的,在种种 环境约束的情况下,选择一 种适当的材料可能是解决问题的最佳思路,那么,在选择 前了解每一种导电材料对小型内置天线性能的影响,也显得特别重要,以下表 是常见各类导电材料对传统PIFA天线性 能的影响的相应关系。
以下测试数据基于:PCB尺寸(单位:mm):40*100*1;
PIFA天线尺寸(单位:mm):40*20*7
天线支架:ABS
 

材料 电导率 10^6 [S/m] 低频 效率峰值 高频 效率峰值 银 61.73 59% 77% 铜 58.13 56% 76% 金 40.98 56% 75% 镍 14.49 51% 72% 铬镍 1.37 38% 57%

表1,典型导 电材料的电导率&峰值效率

2.2 介电材料的选择
    工程上 通常采用各种塑料作为天线支架及手机外壳,理想情况下,辐射体 在没在塑料支架作为支撑及外附时,可达到 最佳的辐射性能,但为了 满足一定的机械与环境测试要求,选择适 当的材质作为天线支架与外附件也是必不可少的,可根据实际情况要求,选择介电常数高,但介质损耗低的材料,这样天 线可以在最小的损耗的情况下尽可能的小型化,如陶瓷天线。

3、 突破现 有无源天线设计思路局限,采用有源天线方案。
3.1开关天线
    通常我们所见的PIFA天线谐振点是不变的,但开关 天线的通过开关切换天线的谐振点,让天线 工作在我们所需要的频段上面,采用这种思路,可以在 相对有限的空间下,如同样在PIFA需要双频的空间40*7*20mm下, 轻松实现四频(GSM850、GMS900、DCS、PCS),甚至到五频(GSM850、GMS900、DCS、PCS、WCDMA),使天线自由切换在GSM的四频频段,及WCDMA之间,达到良好的射频性能。在普通PIFA天线边 上多加一个耦合片,通过切 换点接入开关电路,选择不 同的长度传输线等效成不同感抗值,以改变 天线的等效阻抗,调整天线工作谐振,从而达到实现四频、五频功能,开关天 线基于可重构天线的理念
3.2 电调谐天线
    电调谐 天线基本原理与前者相同,不同的 是电调谐天线可以实现让天线谐振点微调到所设计的频带内每个点,且达到 最好的阻抗匹配、最佳的辐射的性能,如下图,通过电 压调整变容二极管改变切换点的接入阻抗,以改变 天线的等效阻抗,从而达到实现从470Mhz到800Mhz的CMMB频段的 最佳内置天线方案

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