手機內置天線設計原理

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在手機制造商中,為什么大家公認NOKIA的手機信號好呢?為什么大家都認為MOTO的手機信號好且性能穩(wěn)定呢?主要原因是NOKIA和MOTO等大公司在天線與RF方面的設計流程的理念與國內廠商不一樣。像MOTO公司所要主張的那樣,手機設計首先要保證信號好,即RF性能好;其次要保證音頻性能好,話都聽不清打什么電話呢?所以,在他們的初期方案中就包含了與天線相關的基于外觀、主板、結構等的總體環(huán)境設計。由于外觀、主板、結構、天線是作為一個整體,提供給天線的預留空間及內部的RF環(huán)境十分合理,所以天線性能優(yōu)越也在情理之中。

反觀國內的手機設計,負責項目管理和主持項目設計的人員對天線的認識不足,同時受結構方案和外形至上的制約,到最后來“配”天線,對天線的調試匹配占了整個天線設計流程的大部份時間,這與包含天線的整體方案設計有本質的區(qū)別,往往就導致留給天線的面積和體積不足,或在天線下面安置喇叭、攝像頭、馬達、FPC排線等元件,造成天線性能下降。實際上,如果在方案預研和總體設計階段,讓RF與天線方面的技術人員有效參與進來,進行有效的RF和天線設計溝通和評估,ID、結構、RF設計兼顧天線和整體性能,那么設計出優(yōu)質的手機產品有什么難的呢?

一、內置天線對于手機整體設計的通用要求

主板
a. 布線在關聯RF的布線時要注意轉彎處運用45度角走線或圓弧處理,做好鋪地隔離和走線的特性阻抗仿真。同時RF地要合理設計,RF信號走線的參考地平面要找對(六層板目前的大部份以第三層做完整的地參考面),并保證RF信號走線時信號回流路徑最短,并且RF信號線與地之間的相應層沒有其它走線影響它(主要是方便PCB布線的微帶線阻抗的計算和仿真)。PCB板和地的邊緣要打“地墻”。從RF模塊引出的天線饋源微帶線,為防止走線阻抗難以控制,減少損耗,不要布在PCB的中間層,設計在TOP面為宜,其參考層應該是完整地參考面。并且在與屏蔽盒交叉處屏蔽盒要做開槽避讓設計,以防短路和旁路耦合。天線RF饋電焊盤應采用圓角矩形盤,通常尺寸為3×4mm,焊盤含周邊≥0.8mm的面積下PCB所有層面不布銅。雙饋點時RF與地焊盤的中心距應在4~5mm之間。
b. 布板RF模塊附近避免安置一些零散的非屏蔽元件,屏蔽盒盡量規(guī)整一體,同時少開散熱孔。最忌諱長條形狀孔槽。含金屬結構的元件,如喇叭、馬達、攝像頭基板等金屬要盡量接地。對于折疊和滑蓋機,應避免設計長度較長的FPC(FPC走線的時鐘信號及其倍頻容易成為帶內雜散干擾),最好兩面加接地屏蔽層。
c. 常見問題
對于傳導接收靈敏已經滿足要求(或非常優(yōu)秀)但整機接收靈敏度差的情況,特別是PIFA天線,其輻射體的面積和形式還是對輻射接收靈敏度有一定的影響,可以在天線方面做改進。
整機雜散問題原因在于天線的空間輻射被主板的金屬元件(包括機殼上天線附近的金屬成分裝飾件)耦合吸收后產生一定量的二次輻射,頻率與金屬件的尺寸關聯。因此要求此類元件有良好的接地,消除或降低二次輻射。整機雜散問題還與天線與RF模塊之間的諧振匹配電路有關,如果諧振匹配電路的穩(wěn)定性不好,很容易激發(fā)產生高次諧波的干擾。
機殼的設計
由于手機內置天線對其附近的介質比較敏感,因此,外殼的設計和天線性能有密切關系。外殼的表面噴涂材料不能含有金屬成分,殼體靠近天線的周圍不要設計任何金屬裝飾件或電鍍件。若有需要,應采用非金屬工藝實現。機殼內側的導電噴涂,應止于距天線20mm處。對于純金屬的電池后蓋,應距天線20mm以上。如采用單極(monopole)天線,面板禁用金屬類殼體及環(huán)狀金屬裝飾。電池(含電連接座)與天線的距離應設計在5mm以上。

二、手機內置天線的分類
1. PIFA皮法天線
a. 天線結構
輻射體面積550~600mm2,與PCB主板TOP面的距離(高度)6~7mm。天線與主板有兩個饋電點,一個是天線模塊輸出,另一個是RF地。天線的位置在手機頂部。PIFA皮法天線如按要求設計環(huán)境結構,電性能相當優(yōu)越,包括SAR指標,是內置天線首選方案。
適用于有一定厚度手機產品,折疊、滑蓋、旋蓋、直板機。
b. 主板
天線投影區(qū)域內有完整的鋪地,同時不要天線側安排元器件,特別是馬達、SPEAKER、RECEIVER、FPC排線、LDO等較大金屬結構的元件和低頻驅動器件。它們對天線的電性性能有很大的負面影響.
c.天線的饋源位置和間距
一般建議設計在左上方或右上方;間距在4~5mm之間。
2. PIFA天線的幾種結構方式
a.支架式
天線由塑膠支架和金屬片(輻射體)組成。金屬片與塑膠支架采用熱熔方式固定。塑膠常用ABS或PC材料,金屬常用鈹銅、磷銅、不銹鋼片。也可用FPC,但主板上要加兩個PIN,這兩項的成本稍高。
b. 貼附式
直接將金屬片(輻射體)貼附在手機背殼上。固定方式一般用熱熔結構。也有用背膠方式的,由于結構不很穩(wěn)定,很少采用。FPC也如此。
3. MONOPOLE單極天線
a. 天線結構
輻射體面積300~350mm2,與PCB主板TOP面的距離(高度)3~4mm,天線輻射體與PCB的相對距離應大于2mm以上。天線與主板只有一個饋電點,是模塊輸出。天線的位置在手機頂部或底部。
MONOPOLE單極天線如按要求設計環(huán)境結構,電性能可達到較高的水平。缺點是SAR稍高。不適用折疊、滑蓋機,在直板機和超薄直板機上有優(yōu)勢。
b. 主板
天線投影區(qū)域不能有鋪地,或無PCB,同時也不要安排馬達、SPEAKER、RECEIVER等較大金屬結構的元件。由于單極天線的電性能對金屬特別敏感,甚至無法實現。
c. 天線的饋源位置饋電點的位置
與PIFA方式有區(qū)別。一般建議設計在天線的四個角上。
4. MONOPOLE單極天線的幾種結構方式
a. 與PIFA天線相同,有支架式、貼附式。
b. PCB式MONOPOLE單極天線的輻射體采用PCB板,與主板的饋電有簧片和PIN方式,熱熔在塑膠支架上。還可以在機殼上做定位卡勾安裝。
c. 特殊結構天線設計在手機頂部立面(厚度)上,用金屬絲成型,如MOTO的V3、V8超薄系列,他們?yōu)樘炀€設計的金屬空白區(qū)域很大,實際上這是屬于天線的一部分。國內仿制失敗的原因是沒有給這個金屬空白區(qū)域。這種形式環(huán)境設計和天線設計均有難度,需慎重選擇。另一種是稱為“假內置”的形式,相當于將外置天線移到機內,體積很小,用PCB或陶瓷材料制成。這種天線帶寬、輻射性能較差、成本高,不建議采用。

三、手機內置天線形式比較
這里簡單比較一下兩種主流PIFA皮法和MONOPOLE單極天線,以及分別適用的機型結構:
有效面積mm2 距主板mm 天線投影下方天線饋源天線體積電性能 SAR
皮法 600 7 有地 2 大很好低
單極 350 4 無地 1 小好稍高
折疊機滑蓋機旋蓋機直板機超薄折疊機超薄直板機
皮法適用適用適用適用不適用不適用
單極不適用不適用不適用適用適用定制適用

四、很多情況下,手機設計公司因為某一款機型的天線性能未達標,而被迫更換天線公司,結果也未盡人意,項目進程延遲。但此時的造型、機殼模具、主板可變化的空間很小,最終勉強上市,或推翻該方案,造成很大的損失。因此,建議在手機方案設計時,尤其在產品造型和結構設計階段讓天線工程師參與進來,對天線相關的一些方案提出建議,共同研討,設計出比較合理的外觀造型和射頻環(huán)境結構,提高天線的電性能指標,使手機產品在整體性能方面有較高的品質。希望上述內容能對手機方案設計、特別是有關天線環(huán)境的設計有參考價值,加強手機方案設計的各專業(yè)工程師對天線特性更深入的了解,減少項目在時間、人力物力方面的損失。