手机内置天线设计和实现.docx

手机内置天线设计在手机制造商中，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45mm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. PlFA皮法天线a.天线结构辐射体面积550600mm2,与PCB主板TOP面的距离（高度）67mmo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、SPEAKERRECElVER、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45mm之间。2. PlFA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，金属常用镀铜、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300350mm2,与PCB主板TOP面的距离（高度）34mm,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PlFA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m2距主板mm天线投影下方天线馈源天线体积电性能SAR皮法6007有地2大很好低单极3504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。手机内置天线技术要求手机内置天线技术要求内置天线技术要求内置天线材料为镀铜、不锈钢等其他材料，具体支撑视结构而定。被铜(外面镀金)天线的RF性能比较好，但是价格稍高于不锈钢材料。内置天线性能的保证对结构要求较严，基本的要求如下，否则天线性能将受到较大影响，具体影响程度视天线的类型而定。一般认为，PIFA天线体积大、性能好；滑盖机必须使用此种天线进行设计。具体要求如下：1 .PIFA的高度应该不小于6.5mm；2 .LCM的connector应该布局在主板的键盘面；3 .天线的宽度应该不小于20mi;4 .从射频测试口到天线馈点的引线的阻抗保持在50欧姆；5 .PIFA天线的附近的器件应该尽量做好屏蔽；6 .馈点的焊盘应该不小于2m*3;7 .馈点焊盘(pad)应该居顶*边；8 .如果测试座布局有困难，也可以放在天线区域；9 .天线区域可适当开些定位孔。10 .内置天线周围七毫米内不能有马达，SPEAKER,RECEIVER等较大金属物体MONOPOLAR天线体积稍小、性能较差，一般不建议采用。具体要求如下：1 .内置天线周围七毫米内不能有马达，SPEAKER,RECEIVER等较大金属物体。2 .天线的宽度应该不小于15m；3 .内置天线附近的结构件（面）不要喷涂导电漆等导电物质。4 .手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等。5 .内置天线正上、下方不能有与FPC重合部分，且相互边缘距离七毫米以上。6 .内置天线与手机电池的间距应在5mm以上。注：LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。1.CM是液晶显示模块的意思IiqUidcrystalmodul1.CM它包含了LCD及显示控制芯片，RAM,ROM等PIFA天线和MONOPoLES天线设计注意事项及比较PIFA天线和MONC)POLES天线设计注意事项及比较PIFA和MONOPOLES设计注意事项PlFA天线基本注意：1：天线空间一般要求预留空间：W,L,H其中W(15-25mm)L(35-45mm),H(6-8mm)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20mm×30mm×7mmo双频(GSM/DCS)：600×6-8mm三频(GSM/DCS/PCS)：700×7-8mm满足以上需求则GSM频段一般可能达一l0dBi,DCS/PCS则O-IdBio当然高度越高越好，带宽性能得到保证。2：.内置天线周围七毫米内正下方不能有马达，SPEAKER,RECEIVER等较大金属物体。有时候有摄相头出现，这时候应该把天线这块挖空，尽量做好摄相头FPC的屏蔽(镀银耦)否则会影响到接收灵敏度。3：.内置天线附近的结构件(面)不要喷涂导电漆等导电物质。4：,手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等。5：.内置天线正上、下方不能有与FPC重合部分，且相互边缘距离七毫米以上。6：.内置天线与手机电池的间距应在5mm以上。7：手机PCB的长度对PIFA天线的性能有重要的影响，目前直板机天线长度75-105mm之间这个水平，8：馈点的焊盘应该不小于2m*3mm;馈点应该靠边缘。9.天线区域可适当开些定位孔！IO在目前的有些超薄的滑盖机中，由于天线高度不够，可以通过挖空PIFA天线下方主板的地，然后在其背面在加一个金属的片，起到一个参考地的作用，达到满足设计带宽的要求。11：MONOPOLAR（假天线）天线体积稍小、性能较差，一般不建议采用。具体要求如下：1 .内置天线周围七毫米内不能有马达，SPEAKER,RECEIVER等较大金属物体。2 .天线的宽度应该不小于15m；3 .内置天线附近的结构件（面）不要喷涂导电漆等导电物质。4 .手机天线区域附近不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等。5 .内置天线正上、下方不能有与FPC重合部分，且相互边缘距离七毫米以上。6 .内置天线与手机电池的间距应在5mm以上。7：Monopole必须悬空，平面结构下不能有PCB的Ground,一般内置天线必须必须离主板3mm（水平方向），在天线正下放到地的高度必须保证在5mm（垂直方向）以上，可以把主板天线区域的地挖空，目前在超薄的直板机上基本上是满足这个要求，8：由于MONOPOLES天线没有参考地，SAR一般比PlFA天线大，这是测试的难点，但是效率比PIFA天线高。3：陶瓷天线.总结：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,特别是在目前市场流行的超薄超小的直板机发挥重要作用。手机天线设计AntenaGeneralDesignGuidelines1. KeepantennaawayfrommoveableCameraandFlexiblePCB.2. Keepbatteryandbatterymetalcageaminimumof5mmawayfromantennaspaceorantennaelement.3. Useinductorsonspeakerwiresifspeakerisinsideantennaspace.4. Keepcounterbalancevibratorsawayfromantenna.5. Keepantennavolumesensible.6. Keepantennacontactpadsizetoaminimum7. NogroundonanylayersbelowthecontactpadneitherinsidenorontheoppositesideofthePCB.8. NogroundonlayersinsidethePCBbelowmatchingcircuit.9. Antennacontactcliplengthtobeatminimum10. Distancebetweenantennacontactandshieldingcansetc.tobeminimum2to4mm(parasiticeffect)11. RFswitchandamplifierorduplexertobeascloseaspossibletothematchingcircuitareaGeneralDesign12. Noconductivepaint(EMIshield)aroundantennaareaorclosetoitscontact13. MinimizelengthofFlexcircuitthatconnectstheupperfolderonclamshellphones14. Flexcircuitconnectiontoflipshouldbecoveredwithgroundlayeronbothsideswhichconnectswelltomainground.