手机内置天线设计原理

2016-10-25  by:CAE仿真在线  来源:互联网

在手机制造商中,为什么大家公认NOKIA的手机信号好呢?为什么大家都认为MOTO的手机信号好且性能稳定呢?主要原因是NOKIA和MOTO等大公司在天线与RF方面的设计流程的理念与国内厂商不一样。像MOTO公司所要主张的那样,手机设计首先要保证信号好,即RF性能好;其次要保证音频性能好,话都听不清打什么电话呢?所以,在他们的初期方案中就包含了与天线相关的基于外观、主板、结构等的总体环境设计。由于外观、主板、结构、天线是作为一个整体,提供给天线的预留空间及内部的RF环境十分合理,所以天线性能优越也在情理之中。

反观国内的手机设计,负责项目管理和主持项目设计的人员对天线的认识不足,同时受结构方案和外形至上的制约,到最后来“配”天线,对天线的调试匹配占了整个天线设计流程的大部份时间,这与包含天线的整体方案设计有本质的区别,往往就导致留给天线的面积和体积不足,或在天线下面安置喇叭、摄像头、马达、FPC排线等元件,造成天线性能下降。实际上,如果在方案预研和总体设计阶段,让RF与天线方面的技术人员有效参与进来,进行有效的RF和天线设计沟通和评估,ID、结构、RF设计兼顾天线和整体性能,那么设计出优质的手机产品有什么难的呢?

一、内置天线对于手机整体设计的通用要求

主板
a. 布线 在关联RF的布线时要注意转弯处运用45度角走线或圆弧处理,做好铺地隔离和走线的特性阻抗仿真。同时RF地要合理设计,RF信号走线的参考地平面要找对(六层板目前的大部份以第三层做完整的地参考面),并保证RF信号走线时信号回流路径最短,并且RF信号线与地之间的相应层没有其它走线影响它(主要是方便PCB布线的微带线阻抗的计算和仿真)。PCB板和地的边缘要打“地墙”。从RF模块引出的天线馈源微带线,为防止走线阻抗难以控制,减少损耗,不要布在PCB的中间层,设计在TOP面为宜,其参考层应该是完整地参考面。并且在与屏蔽盒交叉处屏蔽盒要做开槽避让设计,以防短路和旁路耦合。天线RF馈电焊盘应采用圆角矩形盘,通常尺寸为3×4mm,焊盘含周边≥0.8mm的面积下PCB所有层面不布铜。双馈点时RF与地焊盘的中心距应在4~5mm之间。
b. 布板RF模块附近避免安置一些零散的非屏蔽元件,屏蔽盒尽量规整一体,同时少开散热孔。最忌讳长条形状孔槽。含金属结构的元件,如喇叭、马达、摄像头基板等金属要尽量接地。对于折叠和滑盖机,应避免设计长度较长的FPC(FPC走线的时钟信号及其倍频容易成为带内杂散干扰),最好两面加接地屏蔽层。
c. 常见问题
对于传导接收灵敏已经满足要求(或非常优秀)但整机接收灵敏度差的情况,特别是PIFA天线,其辐射体的面积和形式还是对辐射接收灵敏度有一定的影响,可以在天线方面做改进。
整机杂散问题原因在于天线的空间辐射被主板的金属元件(包括机壳上天线附近的金属成分装饰件)耦合吸收后产生一定量的二次辐射,频率与金属件的尺寸关联。因此要求此类元件有良好的接地,消除或降低二次辐射。整机杂散问题还与天线与RF模块之间的谐振匹配电路有关,如果谐振匹配电路的稳定性不好,很容易激发产生高次谐波的干扰。
机壳的设计
由于手机内置天线对其附近的介质比较敏感,因此,外壳的设计和天线性能有密切关系。外壳的表面喷涂材料不能含有金属成分,壳体靠近天线的周围不要设计任何金属装饰件或电镀件。若有需要,应采用非金属工艺实现。机壳内侧的导电喷涂,应止于距天线20mm处。对于纯金属的电池后盖,应距天线20mm以上。如采用单极(monopole)天线,面板禁用金属类壳体及环状金属装饰。电池(含电连接座)与天线的距离应设计在5mm以上。

二、手机内置天线的分类
1. PIFA皮法天线
a. 天线结构
辐射体面积550~600mm2,与PCB主板TOP面的距离(高度)6~7mm。天线与主板有两个馈电点,一个是天线模块输出,另一个是RF地。天线的位置在手机顶部。PIFA皮法天线如按要求设计环境结构,电性能相当优越,包括SAR指标,是内置天线首选方案。
适用于有一定厚度手机产品,折叠、滑盖、旋盖、直板机。
b. 主板
天线投影区域内有完整的铺地,同时不要天线侧安排元器件,特别是马达、SPEAKER、RECEIVER、FPC排线、LDO等较大金属结构的元件和低频驱动器件。它们对天线的电性性能有很大的负面影响.
c.天线的馈源位置和间距
一般建议设计在左上方或右上方;间距在4~5mm之间。
2. PIFA天线的几种结构方式
a.支架式
天线由塑胶支架和金属片(辐射体)组成。金属片与塑胶支架采用热熔方式固定。塑胶常用ABS或PC材料,金属常用铍铜、磷铜、不锈钢片。也可用FPC,但主板上要加两个PIN,这两项的成本稍高。
b. 贴附式
直接将金属片(辐射体)贴附在手机背壳上。固定方式一般用热熔结构。也有用背胶方式的,由于结构不很稳定,很少采用。FPC也如此。
3. MONOPOLE单极天线
a. 天线结构
辐射体面积300~350mm2,与PCB主板TOP面的距离(高度)3~4mm,天线辐射体与PCB的相对距离应大于2mm以上。天线与主板只有一个馈电点,是模块输出。天线的位置在手机顶部或底部。
MONOPOLE单极天线如按要求设计环境结构,电性能可达到较高的水平。缺点是SAR稍高。不适用折叠、滑盖机,在直板机和超薄直板机上有优势。
b. 主板
天线投影区域不能有铺地,或无PCB,同时也不要安排马达、SPEAKER、RECEIVER等较大金属结构的元件。由于单极天线的电性能对金属特别敏感,甚至无法实现。
c. 天线的馈源位置馈电点的位置
与PIFA方式有区别。一般建议设计在天线的四个角上。
4. MONOPOLE单极天线的几种结构方式
a. 与PIFA天线相同,有支架式、贴附式。
b. PCB式MONOPOLE单极天线的辐射体采用PCB板,与主板的馈电有簧片和PIN方式,热熔在塑胶支架上。还可以在机壳上做定位卡勾安装。
c. 特殊结构天线设计在手机顶部立面(厚度)上,用金属丝成型,如MOTO的V3、V8超薄系列,他们为天线设计的金属空白区域很大,实际上这是属于天线的一部分。国内仿制失败的原因是没有给这个金属空白区域。这种形式环境设计和天线设计均有难度,需慎重选择。另一种是称为“假内置”的形式,相当于将外置天线移到机内,体积很小,用PCB或陶瓷材料制成。这种天线带宽、辐射性能较差、成本高,不建议采用。

三、手机内置天线形式比较
这里简单比较一下两种主流PIFA皮法和MONOPOLE单极天线,以及分别适用的机型结构:
有效面积mm2 距主板mm 天线投影下方 天线馈源 天线体积 电性能 SAR
皮法 600 7 有地 2 大 很好 低
单极 350 4 无地 1 小 好 稍高
折叠机 滑盖机 旋盖机 直板机 超薄折叠机 超薄直板机
皮法 适用 适用 适用 适用 不适用 不适用
单极 不适用 不适用 不适用 适用 适用定制 适用

四、很多情况下,手机设计公司因为某一款机型的天线性能未达标,而被迫更换天线公司,结果也未尽人意,项目进程延迟。但此时的造型、机壳模具、主板可变化的空间很小,最终勉强上市,或推翻该方案,造成很大的损失。因此,建议在手机方案设计时,尤其在产品造型和结构设计阶段让天线工程师参与进来,对天线相关的一些方案提出建议,共同研讨,设计出比较合理的外观造型和射频环境结构,提高天线的电性能指标,使手机产品在整体性能方面有较高的品质。希望上述内容能对手机方案设计、特别是有关天线环境的设计有参考价值,加强手机方案设计的各专业工程师对天线特性更深入的了解,减少项目在时间、人力物力方面的损失。


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