手機天線設計指導書

1、密級confidentiality level目 錄Table of Contents 1手機天線基本知識71.1移動通信奴才手機天線的要求71.2手機天線的分類和性能對比71.2.1分類71.2.2外置天線的情況71.2.3內(nèi)置天線的情況101.2.4內(nèi)置天線與外置天線電特性與成本比較111.2.5綜合111.3手機天線的指標意義121.4手機天線應用中需注意的問題141.4.1手機天線與射頻前端的配合問題141.4.2導電體對天線特性的影響141.4.3人體對手機天線特性的影響181.4.4手機天線對SAR（scatter absorb rate）的影響181.5天線的測試項目和測試設備介

2、紹191.5.1天線的測試項目191.5.2手機天線的測試設備191.6手機天線與手機電路的連接方式221.7各種手機天線的特點與設計要點221.7.1螺旋天線221.7.2PCB板螺旋天線221.7.3PIFA天線221.7.4微帶貼片天線231.8手機天線多頻實現(xiàn)261.8.1外置天線多頻的實現(xiàn)方式261.8.2微帶天線多頻的實現(xiàn)方式291.9HDA（高介質）天線351.10各手機廠家所用天線情況352手機天線的選型與手機設計的配合問題392.1內(nèi)置天線選型與手機設計392.2外置天線選型與手機設計402.3手機天線選型的一般原則403現(xiàn)有手機天線的廠家情況分析與合作建議413.1現(xiàn)有手機

3、天線廠商和技術規(guī)模對比413.2天線廠商的選擇策略433.3手機天線廠家的一般的合作過程44表目錄 List of Tables表1 XX表 Table 1 XX2圖目錄 List of Figures圖1 螺旋天線8圖2 PCB板螺旋天線8圖3 介質振蕩天線9圖4 用在手機上的PIFA天線10圖5 一種寬帶微帶貼片天線10圖6 用于藍牙的陶瓷天線11圖7 PIFA的基本形式23圖8 最簡單的外置雙頻天線27圖9 最簡單的螺旋雙頻天線27圖10 簡單雙頻一體化螺旋天線28圖11 螺旋多頻天線設計28圖12 內(nèi)置與外置天線結合實現(xiàn)雙頻天線29圖13 感抗加載雙頻天線30圖14 探針饋電的槽加載貼

4、片天線（線極化）30圖15 探針饋電的單凹槽天線30圖16 探針饋電的雙凹槽天線31圖17 帶有短路銷釘?shù)碾p頻三角形貼片天線，能提供的頻帶比較大。31圖18 單層多貼片雙頻天線（1）31圖19 單層多貼片雙頻天線（1）32圖20 自雙工雙頻天線32圖21 十字形子陣雙頻天線33圖22 寬帶雙極化天線形式，頻率：17001980MHz33圖23 PIFA天線及其雙頻形式34圖24 另一種PIFA雙頻天線的平面表示34圖25 PIFA雙頻天線三維示意圖34圖26 PIFA形式的三頻天線35圖27 NOKIA 8210的天線35圖28 NOKIA 6210天線36圖29 愛立信337的天線36圖30

5、 愛立信T28S的天線37圖31 MOTO V60天線37圖32 MOTO V120 CDMA天線38圖33 一各特殊的天線（閃光天線）39手機天線選型指導書關鍵詞Key words：摘 要Abstract：縮略語清單List of abbreviations： Abbreviations縮略語Full spelling 英文全名Chinese explanation 中文解釋WHIP可伸縮鞭狀天線1 手機天線基本知識1.1 移動通信對手機天線的要求天線最主要的功能在于轉換兩種不同傳播介質中的電磁波能量。在能量轉換的過程中，會出現(xiàn)收發(fā)信機與天線及天線與傳播介質之間的不連續(xù)接口。在無線通訊系統(tǒng)中

6、，天線必須依照這兩個接口的特性來做適當?shù)脑O計，以使得收發(fā)信機、天線以及傳播介質之間形成一個連續(xù)的能量傳輸路徑。移動通信手機對天線的要求：外在要求：天線尺寸小，重量輕，剖面低，攜帶方便，機械強度好電性能要求：水平面要求有全向輻射方向圖，頻帶寬，效率高，增益高，受周圍環(huán)境影響小，對人體輻射傷害小1.2 手機天線的分類和性能對比1.2.1 分類傳統(tǒng)的手機天線可以根據(jù)天線所處的位置分為外置天線和內(nèi)置天線兩大類。手機天線按傳統(tǒng)的天線單元形式可分為：單極天線螺旋天線PCB印制螺旋天線微帶貼片天線縫隙天線IFA天線和倒L天線PIFA陶瓷天線其中前三種一般是外置天線，后面的幾種是內(nèi)置天線。1.2.2 外置天線

7、的情況外置天線的的優(yōu)點是頻帶范圍寬、接收信號比較穩(wěn)定、制造簡單費用相對低；缺點是天線暴露于機體外易于損壞、天線靠近人體時導致性能變壞、不易加諸如反射層和保護層等來減小天線對人體的輻射傷害、同時對于FDD的系統(tǒng)，接收和發(fā)送必須使用不同的匹配電路。傳統(tǒng)的外置天線一般為單極天線，雖然制作簡單，但是尺寸較大，不便于攜帶。一般采用螺旋天線來降低天線的尺寸（法向螺旋），另外現(xiàn)在也開始使用印制在PCB的螺旋天線來得到更小尺寸與各種形狀的外置天線。圖1 螺旋天線圖2 PCB板螺旋天線這種天線還有許多種變形形式，能夠實現(xiàn)多頻、寬帶的要求，有很強的靈活性，因此在外置天線中，此類天線的應用越來越廣。拉桿天線：一般是

8、采用一節(jié)1/4波長螺旋和一節(jié)1/2波長螺旋構成，需要介質棒去耦，用來實現(xiàn)手機的高增益，在手持情況下，其增益可增加6dB以上。另外還有一種所謂的介質天線，中長介質天線是一種漏波天線，其輻射特性為端射，而此處的介質天線可能是類似單極天線的天線，其通過介質諧振器的原理工作來輻射信號，可以使天線的體積大大減小，如果如此，此天線的Q值高(品質因數(shù))，帶寬窄，寬帶與多頻均不易實現(xiàn)，應不會有多少應用。下面是其基本介紹：介質振蕩器天線由高介電常數(shù)、低損耗的材料制成，其好處是：尺寸小，帶寬可在110內(nèi)可調，無導體損耗，天線效率高，可產(chǎn)生多種模式，低次模帶寬好一些，高次模增益大。如果介質振蕩器的尺寸足夠小，也是可

9、以內(nèi)置于手機中的。圖3 介質振蕩天線綜述：單極天線由于其要求的長度長，一般不使用。拉桿天線雖然有效增益高，電性能較好，但其結構復雜，同時需要使用記憶金屬作材料，因此價格較貴，除北美等少數(shù)地方外，應用較少，我們不考慮使用。螺旋天線以其良好的輻射特性、小體積、頻帶擴展容易實現(xiàn)的特性成為外置天線的的主流，但其體積還是較大，同時形狀固定，不適合手機造形設計等特殊要求。PCB形式的螺旋天線比普通螺旋天線的體積更小，天線形狀是扁平特性的，同時此類天線的設計具有較強的靈活性，應用漸多。在外置天線的應用中螺旋天線還是第一選擇，其次是PCB形式的螺旋天線。1.2.3 內(nèi)置天線的情況內(nèi)置天線的特點：可以做得非常小

10、，不易損壞；可以將其安放在手機中遠離人腦的一面，而在靠近人腦的部分貼上反射層、保護層來減小天線對人體的輻射傷害。可以安裝多個，很方便組陣，從而實現(xiàn)手機天線的智能化，這一點對未來的移動通信系統(tǒng)來說非常有用。內(nèi)置天線的形式特別多，包括微帶貼片天線、縫隙天線、IFA天線和倒L天線、PIFA、陶瓷天線等等。PIFA是現(xiàn)在使用得最多的一種內(nèi)置天線，其由倒F線天線演變而來，具有體積小，增益高，剖面低，帶寬相對較寬的特點，是在手機天線中使用得最多的天線。 圖4 用在手機上的PIFA天線貼片天線與縫隙天線也是使用得較多的內(nèi)置天線，貼片天線與縫隙天線可通過巴俾涅原理互換。圖5 一種寬帶微帶貼片天線PIFA與貼片

11、天線將后面進行一定的分析。陶瓷天線是一種特別小型化的天線。陶瓷天線的種類可分為塊狀陶瓷天線與多層陶瓷天線，前者是使用高)將整塊陶瓷體一次燒結完成后再將天線的金屬部份印在陶瓷塊的表面上；后者則采用低溫共燒（LTTC）的方式將多層陶瓷迭壓對位后再低溫燒結，所以天線的金屬導體可以依設計需要印在每一層陶瓷介質層上，故可有效縮小天線所需尺寸，并能達到隱藏天線設計布局的目的。 圖6 用于藍牙的陶瓷天線一般地，陶瓷天線只在要求天線尺寸極度小的情況下使用，現(xiàn)在在藍牙設備中有應用。其增益低，效率低，頻帶窄，而且成本高，在手機中使用還需假以時日。1.2.4 內(nèi)置天線與外置天線電特性與成本比較一般情況，外置天線的駐

12、波比可以做到2，增益可以做到0-1dBi。對于內(nèi)置天線，駐波也可以做到3之內(nèi)，增益了可做到0-1dBi。在手機天線中，天線增益并不重要，其平均有效增益才重要，基本的結論，外置天線的平均有效增益比一般的內(nèi)置天線大2dB左右。內(nèi)置天線的效率是達不到外置天線的水平的。手機天線選擇時不能被PEAK GAIN有欺騙，實際的平均有效增益小于此值，同時與手機設計息息相關。外置天線手機天線價格為2.54元左右。而且內(nèi)置天線比較貴，大概從320元都有。1.2.5 綜合根據(jù)上述的介紹，天線的分類和性能比較如下： 天線類型外置天線內(nèi)置天線單極子天線螺旋天線PCB形式的螺旋天線PIFA天線貼片天線縫隙天線陶瓷天線價格

13、比較拉桿天線價格比較貴。價格便宜價格便宜價格便宜很少用很少用價格便宜電性能比較外置天線的駐波比可以做到2，增益可以做到0-1dBi。內(nèi)置天線，駐波比就比較差了。一般在6左右。增益了可做到0-1dBi。電性能一般，主要是平均效率比較差。用途說平目前，手機上外置天線，螺旋天線是主流，主要的原因是可以降低天線的尺寸。而柔性PCB的螺旋天線是將來的發(fā)展方向。手機上的內(nèi)置天線，PIFA是現(xiàn)在使用得最多的一種內(nèi)置天線。主要是體積小，增益高，帶寬比較寬。一般用在BT，wlan和GPS上。在PHS上也有應用。1.3 手機天線的指標意義天線輸入阻抗：天線的輸入阻抗是以收發(fā)機與天線間的接口往天線端看入所得到的阻抗

14、值。這一數(shù)值對天線的輻射效率，天線的帶內(nèi)增益波動，天線前端的功率容量有很大的影響。手機天線是一種駐波天線，天線的阻抗不匹配，將導致大量的信號反射，使天線的輻射效率降低，同時由于反射的影響使得天線在寬頻帶內(nèi)的增益有抖動，如果天線的駐波為6，手機前端的擊穿電壓將降為原來的1/6，而功率容量就會下降。手機天線駐波對天線效率的影響不可不慎。天線的駐波要求，我們目前統(tǒng)一要求為小于3。 工作頻率與工作帶寬 天線的帶寬是指滿足天線全部指標的頻帶范圍。工作頻率是指天線帶寬范圍內(nèi)的所有頻率。工作帶寬由多個指標來限定，因此需取其中帶寬最窄的帶寬，手機天線中，方向圖帶寬，極化帶寬等因素所限定的帶寬大于阻抗帶寬，因此

15、在手機天線中一般以滿足所要求駐波的帶寬范圍作為天線的工作帶寬。波束方向圖 天線波束方向圖是用來描述由天線所輻射出的能量與空間中任意位置的相互關系，藉由方向圖可以得知由天線所輻射出來的電磁波在空間中每一個位置的相對強度或絕對強度。毫無疑問，手機天線的水平方向圖要求是全向的，實際上手機天線的波束方向圖并不重要，主要是在手機的使用過程中，此時手機天線的輻射特性與單天線的輻射特性是不相同的。手機天線的方向圖只要求水平面近似為全向即可。方向性與天線增益天線的方向性與其波束方向圖有關，所以方向性也是方位角的函數(shù)，其定義如下： D(,)=【天線在(,)方向上的輻射強度】/【全向性天線的輻射強度】 在實際的應

16、用上，由于必須考慮天線本身的輻射效率問題，故通常都以天線增益的大小來代替指向性，兩者之間的關系為： G（,）=eD(,) 其中，天線的輻射效率高低與電磁波輻射過程中所損失的能量多少有關。天線在能量傳送與接收的過程中所有可能會產(chǎn)生的能量損失包括：天線輸入端阻抗不匹配造成的能量反射、天線本身的材質在高頻下所產(chǎn)生的能量損耗以及在傳播介質中所消耗的能量。 手機天線的增益并不能代表手機使用時的效率問題：真正表示天線增益特性的指標應該是天線的平均有效增益，其與手機天線的的使用環(huán)境、使用方式、手機的結構、手機設計方式相關。所以，一般手機天線的電性能要求如下：1、電壓駐波比 要求VSWR50%平均增益-3dB

17、i7天線的極化方向垂直極化1.4 手機天線應用中需注意的問題1.4.1 手機天線與射頻前端的配合問題手機天線需要與射頻前端匹配。這種匹配主要是阻抗的匹配。當工作在雙頻或多頻方式下，由于匹配電路在不同的頻段下具有不同的阻抗特征，共用的匹配網(wǎng)絡需折衷多頻段上的阻抗特性進行匹配。因此匹配電路會比較復雜。單頻天線匹配電路：單頻天線的匹配電路比較簡單，一般采用T型或pi型網(wǎng)絡進行匹配。就可以達到很好的匹配效果。所以需要在射頻前段預留T型或pi型網(wǎng)絡。雙頻天線一般也可以采用這種匹配方式。匹配電路示意如下：多頻天線的匹配電路：雙頻或多頻的匹配電路有兩種匹配方式。一種是天線主通路進行匹配。另外一種就是各個分支

18、通路進行分別匹配。不過，目前主通路匹配的方式比較多。一般雙頻天線采用兩級pi型網(wǎng)絡進行匹配。具體電路圖形式參考如下：1.4.2 導電體對天線特性的影響手機天線對于周邊接地金屬面十分敏感，像是電路板上的接地面或是電路板上防止靜電用的屏蔽金屬片都會嚴重影響到天線的輻射特性，當然孤立金屬也作為無源散射體的對手機天線的電特性影響特別大。手機天線在手機結構中的位置決定了手機天線在手機中的電特性，如果手機天線的位置設計或天線周圍的結構設計不好，帶來的效率損失可能是致命的。我們拿三種手機常用的天線舉例來進行說明：1、 外置螺旋天線周圍的結構要求和PCB布板要求：外置螺旋天線如上圖所示。那么對于天線周圍的結構

19、的要求是： 最好在上圖黑框的范圍內(nèi)，不要有屏蔽盒等金屬的東西。主要是這樣會引起天線與屏蔽盒之間的互耦，這樣會降低天線的效率，而且匹配很難做。假如實在沒有辦法，那么，應該通過仿真軟件計算，要求屏蔽盒與天線之間的耦合度5mmc、 最好天線周圍的地打上地孔保證地的完整性。2、 內(nèi)置PIFA天線周圍的結構要求和PCB布板的要求： A、內(nèi)置PIFA天線形狀如下圖所示：因為形狀像一個倒轉的F，所以成為PIFA天線。一般目前PIFA天線最多可以做到3頻天線。大概體積的可以做到：Dual bandTriple bandW *L 30*20 mm, H 6 mm W *L 30*25 mm, H 7 mm 結構

20、工程師應該根據(jù)這樣的數(shù)據(jù)進行結構設計。才能夠滿足天線的性能要求。對于PCB布線的要求，饋電點位置的要求與外置螺旋天線相同。不同的地方在于PIFA天線有一個距離PCB的高度的要求。對于雙頻天線，要求至少大于6mm。對于三頻天線，要求至少大于7mm。結構工程師應該特別注意。3、 內(nèi)置陶瓷藍牙天線對周圍的結構要求和PCB布板的要求：由于藍牙采用跳頻技術，靈敏度較高，而且數(shù)據(jù)速率比較慢，所以藍牙對天線性能要求較低，可以采用低成本的LTCC技術的多層陶瓷天線。目前日本的muruta技術實力還不錯。一般天線放置的地方如下圖：在上述4個位置放置是藍牙天線比較合適的位置。當然有些外置的藍牙模塊，比如SDIO的

21、藍牙模塊和USB的藍牙模塊，本身帶有天線，我們就不再考慮了。而需要說明的是，WLAN的天線選型要比藍牙天線選型要求嚴格很多。原因在于WLAN的傳輸速率比較高，又是OFDM（正交頻分復用）的傳播方式，對靈敏度和時延方面都有嚴格的要求。所以在天線選型中要仔細考慮。Muruta和epcos都提供內(nèi)置的陶瓷wlan天線，體積方面就大很多，一般在25*5*3左右。關于藍牙天線的PCB布局要求和布線要求，一般等同于外置天線的要求。這里就不多說了。4、 PCMCIA卡的天線PCMCIA卡的天線分為兩種，單極子和偶極子天線兩種。偶極子天線如下圖， 好處就是可以單獨設計，受PCB的影響小，缺點是尺寸比較大。而單

22、極子天線受天線的影響比較大，但是優(yōu)點是可以做的比較小。但是天線設計比較困難。（這方面的積累不多，歡迎這方面的專家進行補充）1.4.3 人體對手機天線特性的影響人體對手機通信性能的影響主要是人體對天線的遠區(qū)輻射方向圖、輸入阻抗、輻射效率、反射系數(shù)等方面的影響，人體對輻射功率的吸收程度主要依賴于人腦與天線之間的距離，在人腦距天線很近時約有一半左右的功率被吸收，而隨著距離的增大吸收率急劇減小，因為在近場區(qū)，電場與距離的關系是平方關系，而遠場是線性關系?；\統(tǒng)的說，人體對外置天線的影響較大，內(nèi)置天線由于有與人體間有一層阻擋而影響較小，事實上，對于上翻蓋的手機，人體對外置天線的影響也是很小的。即使是內(nèi)置天

23、線，其所處的位置對天線特性的影響也不相同，對于PIFA天線，放在手機側面時性能最好，但放在手機背面的天線對人體的輻射最小，這些問題需要綜合考慮。手的影響與天線的類型有關，對于外置式天線手的影響比較小，對于內(nèi)置式天線手的影響則很大。這是因為內(nèi)置天線與手持的部位較近，手的存在改變了天線的電流分布而造成的?，F(xiàn)在還沒有人對手機天線在使用過程中處于各種狀態(tài)下的特性進行定量的研究，各種狀態(tài)包括使用中存在對微波具有高吸收能力的人腦、手機的形狀改變（包括翻蓋）等，事實上這些特性對手機天線的影響比單天線設計要重要。1.4.4 手機天線對SAR（specfic absorption rate）的影響在同一通信體制

24、的條件下，一般來說，具有內(nèi)置天線的手機對人體的電磁能量輻射要小于外置天線的手機，因為手機的PCB和金屬屏蔽層會隔離掉一部分電磁波。同樣是內(nèi)置天線，天線所處的位置對天線特性的影響也不相同，對于PIFA天線，放在手機背面的天線對人體的輻射最小。同樣的放在背面的微帶貼片天線的SAR也較小。手機的不同形態(tài)下同一天線的SAR值可能不相同，尤其是外置天線，手機形態(tài)對其輻射特性影響較大，同時了影響其SAR，對于一般的上翻蓋手機，手機中部的外置天線的SAR可降阺許多。而且手機在翻蓋狀態(tài)下的SAR比合蓋狀態(tài)下的SAR要小。綜合結論：內(nèi)置天線的SAR比外置天線的SAR小，外置天線在手機上位置和長度對SAR的影響很

25、大。1.5 天線的測試項目和測試設備介紹1.5.1 天線的測試項目 天線的測試包括兩方面的測試：電性能方面的測試和可靠性方面的測試。電性能的測試一般包括下面幾項（需要說明的是，要在全頻段范圍內(nèi)進行測試）：A、 駐波測試 (VSWR)B、 方向圖測試（包括E面和H面）C、 平均增益和平均效率的測試D、 SAR測試 A、B用網(wǎng)分測試。而其中駐波測試不僅僅用于天線的研發(fā)設計，也作為天線生產(chǎn)時的通過指標，用于質量控制。而可靠性的指標測試包括A、 拉力測試B、 壓力測試C、 扭力測試D、 跌落測試E、 高低溫循環(huán)測試F、 煙霧霉變測試1.5.2 手機天線的測試設備1、 微波暗室天線的方向圖都要在微波暗室

26、里面進行測試。微波暗室有轉臺，可以進行方向圖的測試。為什么天線測試要在微波暗室進行，原因有兩點，1就是微波暗室可以屏蔽外界的干擾。2、就是微波暗室有吸波材料，所以不會引起電磁散射。從而避免了多徑效應。微波暗室的樣子見下圖：2、 標準的喇叭口天線標準的喇叭口天線主要是用來發(fā)射射頻信號的。他的增益和比較精確的。方向性很好，可以降低對信號源的要求。所以，一般的天線測試都采用喇叭型天線作為發(fā)射天線。來進行天線測試。3、 矢量網(wǎng)絡分析儀矢量網(wǎng)絡分析儀是測量天線和調試天線的最重要的測試工具。一方面它可以用來測試手機天線的駐波。另外一方面也是用他來測量手機天線的方向圖（通過S21測試）。如下圖所示：4、 手

27、機綜合測試儀（很多采用CMU200）這個測試只有在進行SAR測試的時候才使用，主要是與手機建立一個鏈接，可以使手機穩(wěn)定的發(fā)功率。這個大家都很熟悉。就不再這里描述了。5、 SAR測試儀 這個儀表是進行溫升的測試，最后轉換成mW/g。目前美國（不大于1.6mw/g）、歐洲（不大于2mw/g）對SAR值的測試標準，美國是以1g腦液測試，而歐洲是以10g腦液測試再平均給出。1.6 手機天線與手機電路的連接方式1 卡接式卡式天線的模具費用要貴一些，但是大批量的加工成本兩者之間相當。所以是否選用卡式天線，主要考慮工業(yè)設計方面。2 螺紋連接式螺紋連接方式為普通的連接方式，主要問題是連接效率低，這是最基本的連

28、接方式。3 插接式如愛立信的手機天線的連接方式，其還可分為兩種：1 帶有導向的插入方式，2 無導向的插入方式。4 觸點焊接式 內(nèi)置天線一般采用此種形式，內(nèi)置天線的觸點直接焊接到電路板上即可。1.7 各種手機天線的特點與設計要點1.7.1 螺旋天線眾所周知，螺旋線是一種慢波結構，螺旋天線實際也是一種慢波化的單極天線。由于螺旋線的作用，減小了電磁波沿螺旋線傳播的相速度，因此天線的長度可以縮短。天線的設計只需根據(jù)螺旋線的相速度求出天線的等效波長，根據(jù)單極天線的設計方式即可得出所求。也正是由于螺旋線的慢波結構，使得天線的Q值高，帶寬窄，天線的儲能大，輻射效率降低。多頻段螺旋天線的設計方法見下節(jié)，其設計

29、公式未見過，但可通過直立單極天線的結構來推導出。1.7.2 PCB板螺旋天線PCB板螺旋天線實際是一種變形的螺旋天線，利用PCB板的介電常數(shù)進一步降低天線的尺寸而已。1.7.3 PIFA天線PIFA天線是對倒F線天線的擴展而得到的。此天線的發(fā)展須序是頂加載倒L天線倒F天線PIFA。由此發(fā)展過程即可知天線的特性與優(yōu)點。其特點是頻帶寬，體積小，剖面低。下圖是PIFA的基本圖示：圖7 PIFA的基本形式PIFA天線相當于大量IFA天線的并聯(lián)，其阻抗相當于許多線型天線阻抗的并聯(lián)，因此平面型天線比線型天線的輸入阻抗要低一些，不但產(chǎn)生了寬帶諧振特性，并且縮小了尺寸。為了使天線產(chǎn)生自諧振，避免用有耗電路,

30、應盡量提高輻射電阻，減小損耗電阻，使天線系統(tǒng)保持一個足夠高的效率。其設計的要點：平板單元的周長為半個波長左右時，產(chǎn)生諧振。設計經(jīng)驗：在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)天線的水平長度L1可以粗調天線中心頻率的范圍（選定一個高度H）；天線的寬度L2可以調節(jié)天線的帶寬，過寬或過窄都會使帶寬性能變差。PIFA天線相對頻帶寬度有一個極限值，約為16%左右。天線的高度H可調節(jié)天線的帶寬范圍和效率，一般H 越大，帶寬越寬，效率越高，但H的增加不但使重量增加而且破壞了天線低剖面的特性。天線的饋點位置也會影響中心頻率和帶寬，一般來說，饋點離接地端越遠，中心頻率也越大，為了增加天線的輸入阻抗，饋電點離接地端不要太近。 1.7.4

31、 微帶貼片天線1. 微帶單元天線的特點與設計微帶天線是小型化、集成化的線天線主角，素以低輪廓、印刷工藝、便于與電路集成等優(yōu)點著稱，但又有頻帶窄和效率低的缺陷。微帶貼片天線以其三維結構的靈活性受到各種不同設計目標的全方位開發(fā)。它既被單獨用于手機天線中，也被廣泛用作各種陣列天線的單元，既在工程設計中以型式多樣而取勝，又多見于被電磁場數(shù)值分析用作典型實例。在微帶貼片天線中應用光子晶體結構（PBG）來提高微帶貼片天線性能的研究是現(xiàn)在的熱點。微帶貼片單元天線的設計是非常簡單，在此不作說明，下面主要討論其小型化技術、多頻實現(xiàn)、寬帶實現(xiàn)的方法。2. 微帶天線的小型化技術通過饋電點與短路點間的耦合電容來實現(xiàn)小

32、型化。天線的諧振頻率主要取決于短路探針的粗細與位置，天線尺寸可縮減50。缺點：1 阻抗匹配嚴重的依賴于短路探針的位置與饋電點間的距離。2 頻帶窄3 H面的交叉極化電平較高天線的諧振頻率與介電常數(shù)成反比，采用高介電常數(shù)介質的主要問題是：激勵出較強表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。帶寬窄，但可以采用PBG結構抑制表面波，減小互耦合當在貼片天線表面開不同形式的槽時，切斷了原先的表面電流路徑，使電波繞槽邊曲折渡過而路徑變長，在天線電路中相當于引入了級聯(lián)電感。采用貼片開槽方式，還可以產(chǎn)生雙頻天線和圓極化天線。缺點：尺寸特別小時，天線的帶寬變得特別窄，同時天線的增益也特別低。這些方法的依據(jù)是使貼

33、片的等效長度大于其物理尺寸。矩形微帶貼片天線一邊的尺寸要求是介質中的二分之一工作波長，在微帶貼片天線寬邊引入不連續(xù)性僅僅依靠其自身開關的改變就可以使天線單元的面積大大減小，H形天線即采用此原理。其是通過改變電流在貼片上的分布，增大貼片的等效長度來降低諧振頻率。從物理意義講，去除的兩塊貼片等效為在天線這個諧振腔中加入合適的電感，從而實現(xiàn)小型化的目的。3. 微帶天線的寬帶化技術微帶天線的窄頻帶特性是由于其高Q的諧振特性決定的，展寬頻帶的方法即是圍繞降低天線的Q值來實現(xiàn)。1 采用厚基板2 采用介電常數(shù)小或介質損耗大的基板材料3 采用非線性基板材料，不同介質材料覆蓋4 附加阻抗匹配網(wǎng)絡對饋電電路采用寬

34、帶阻抗匹配(如阻抗匹配電路或采用開縫耦合對天線饋電)，諧振是并聯(lián)諧振網(wǎng)絡，饋電一般等效為一個電感。如果是多頻天線，用外部匹配電路來擴展低波段振子的電性能，即“加寬頻帶”。匹配電路一般采用高通設計，以便該匹配電路對高波段振子來說是透明的。這樣的電路還可降低天線的最低工作頻率。5 采用多層結構，采用多貼片諧振。也可用無源振子來產(chǎn)生四極點響應，以增加天線的帶寬。或將天線維持為二極點結構，必要時再通過匹配電路引入額外的極點。一般來說，前三種方法的效果比較不明顯，第四種方法需要設計寬帶匹配電路，但電路結構復雜，制作難度比較大。因此我們采用第五種方法，該方法是利用多貼片耦合的方式，使每個貼片天線的諧振中心

35、頻率各不相同，而各諧振帶寬又相互交叉，使整個天線的總體帶寬展寬。4. 綜述事實上，這幾種設計技術是相輔相成的。小型化設計時可同時產(chǎn)生小型化效果和雙頻段效果。而多頻設計如果頻率比較低，就成為寬帶設計了。甚至微帶天線的小型化、寬頻設計和多頻設計可以采有同一種技術獲得，如H型矩形微帶天線，雖然微帶天線的小型化與寬帶設計是矛盾的。如何使用各種技術來獲得所需要的性能，需要綜合考慮。1.8 手機天線多頻實現(xiàn)雙頻天線相當于具有兩個不同的振子，即低波段振子和高波段振子。較長的低波段振子在較低頻率或者第一本征模處諧振。這一振子的物理長度大約相當于1/4波長，可根據(jù)局部介質效應和高波段振子的寄生旁路電容來修正。通

36、常高波段振子在同一感性接地片兩端呈高阻抗。高波段振子在較高的頻率上諧振，加在高波段諧振阻抗上的負載是低波段振子在電感接地片兩端的旁路寄生負載。在這一頻率上，低波段振子的阻抗必定比高波段振子的阻抗要高。一般地這些振子并不是可以獨立調諧的。每一個未用振子就是已用振子的一個寄生負載。調諧一個振子，就會對另一個振子產(chǎn)生明顯的影響。1.8.1 外置天線多頻的實現(xiàn)方式圖8 最簡單的外置雙頻天線圖9 最簡單的螺旋雙頻天線圖10 簡單雙頻一體化螺旋天線雙頻螺旋天線雙頻螺旋天線三頻螺旋天線圖11 螺旋多頻天線設計螺旋多頻天線，中饋電天線的下端是否接地取決于天線的設計者，不接地是不對稱激勵，接地是袖式天線。圖12

37、 內(nèi)置與外置天線結合實現(xiàn)雙頻天線1.8.2 微帶天線多頻的實現(xiàn)方式簡單貼片固有的窄頻帶由于近年來的疊層貼片、U型槽貼片等寬頻帶技術的發(fā)展已不復存在，根據(jù)現(xiàn)代通信的要求，研究印刷天線的一個重要方向是多頻段。雙頻段天線的初步目標是地面通信900MHz模擬網(wǎng)與1800MHz數(shù)字網(wǎng)兼容的手機天線，以及衛(wèi)星通信上行、下行頻段共用的移動臺天線。當兩個工作頻率遠離時，用雙頻結構可以避免使用兩個分離的天線，可簡化系統(tǒng)的結構。雙頻段貼片天線能夠保證多個工作頻段的分離和匹配。雙頻天線在兩個頻率上的輻射及阻抗匹配特性都應該相似。獲得雙頻工作的最簡單的方法是利用矩形貼片長、寬兩個尺寸的第一諧振點,在這種情況下，雙頻的

38、頻率比(FR)幾乎等于貼片的長寬比。這種方法在低成本、對極化要求不高的場合是可用的，,需注意的是，單路饋點時兩個頻率的輸入阻抗要同時匹配微帶天線最簡單的多頻方式是在微帶天線終端上接不同阻抗的負載，改變微帶線的輻射頻率，這種方式調節(jié)困難，只能同時工作在一個頻段上。另外還有一種簡單而好理解的是采用阻抗匹配網(wǎng)絡形成兩個諧振頻率。這里將微帶貼片天線多頻化的原理歸納為:正交模雙頻-雙極化貼片天線(單層結構)、多貼片雙頻天線及電抗加載雙頻貼片天線和小陣列雙頻天線。圖13 感抗加載雙頻天線這種天線通過短路線加載到輻射邊上，從而拉大第二個諧振點的位置，產(chǎn)生另一個頻率。圖14 探針饋電的槽加載貼片天線（線極化）

39、其是線極化雙頻感抗加載貼片天線。低端工作頻率幾乎和沒有開槽的矩形貼片天線一樣，高端工作頻率可以由槽的長度控制。需要注意的是,槽的長度不能太短，而且也不能離輻射邊太遠，否則當工作在高端時，天線方向圖可能會產(chǎn)生畸變。槽的長度約束著雙頻貼片的頻率比。其第一諧振頻率可由計算矩形貼片天線諧振頻率的半經(jīng)驗公式求出；第二諧振頻率可由傳輸線模型求出。這種結構可獲得1.6-2.0的頻率比。圖15 探針饋電的單凹槽天線圖16 探針饋電的雙凹槽天線這種形式的貼片天線產(chǎn)生雙頻的原理：主貼片與凹槽各產(chǎn)生一個諧振頻率。上、下頻率的方向圖相似。圖17 帶有短路銷釘?shù)碾p頻三角形貼片天線，能提供的頻帶比較大。這種天線雙頻的產(chǎn)生

40、機理與上而的形式相同。圖18 單層多貼片雙頻天線（1）三矩形貼片構成的雙頻天線左右貼片通過兩截微帶線被耦合到中間貼片,中間貼片用探針饋電。這三個貼片的長度和寬度決定了兩個諧振頻率。對于這種長度大于寬度的矩形貼片天線,其低頻端極化方向是Y方向;而在高頻端極化方向是X方向,這種雙頻天線為正交極化。圖19 單層多貼片雙頻天線（1）疊層電磁耦合貼片(EMCP)一直被用于寬頻帶或雙頻段工作。如果兩個疊層貼片的諧振頻率相差得遠,就可以獲得雙頻工作。這種天線是微帶天線設計中應用得最多的寬頻與雙頻設計技術，不再作說明。下面是一種特殊的EMCP，其特點是自雙工多頻形式。圖20 自雙工雙頻天線陣列結構的雙頻天線：

41、圖21 十字形子陣雙頻天線圖22 寬帶雙極化天線形式，頻率：17001980MHzPIFA多頻段實現(xiàn)方式：PIFA天線的雙頻實現(xiàn)只需在PIFA天線上的相關位置上開槽即可得到雙頻諧振特性，圖23 PIFA天線及其雙頻形式圖24 另一種PIFA雙頻天線的平面表示圖25 PIFA雙頻天線三維示意圖圖26 PIFA形式的三頻天線1.9 HDA（高介質）天線 1.10 各手機廠家所用天線情況圖27 NOKIA 8210的天線天線特點：采用PIFA內(nèi)置天線，雙頻天線，空氣介質圖28 NOKIA 6210天線天線特點：采用PIFA內(nèi)置天線，雙頻天線，采用介質支撐，天線體積小圖29 愛立信337的天線天線特點

42、：螺旋天線，看不出是雙頻的圖30 愛立信T28S的天線天線特點：天線扁平的外置天線，非螺旋，應該是PCB形式的螺旋圖31 MOTO V60天線天線特點：外置天線與內(nèi)置天線集成在一起，兩天線均為垂直極化，因此應該是實現(xiàn)雙頻的技術。圖32 MOTO V120 CDMA天線天線特點：采用記憶性合金制成的拉桿天線，此種天線在北美較流行。注意其與手機的連接方式，此種連接方式是標準的卡接式。圖33 一各特殊的天線（閃光天線）天線特點：此種天線在日本、臺灣游行，對天線特性影響不好。但是比較時尚。2 手機天線的選型與手機設計的配合問題手機天線不同于基站天線，基站天線一般是標準件，設計生產(chǎn)完成一般由天線廠家決定

43、，設備商購買即可。而手機天線一般是定制件，手機廠家需根據(jù)設備商的要求進行設計生產(chǎn)，幾乎是每一種手機有一套自己的天線（當然也不排除同一廠家，同一結構的手機采用同一天線）。尤其是內(nèi)置天線，幾乎是一款手機一套天線。需強調的是，每一種不同結構的手機需設計不同的天線，如果在不同的結構的手機上使用同一種手機天線，得到的結果可能大相徑庭。所以即使天線的模具相同，頻段要求相同，應用在不同的手機上，也需要對匹配電路進行設計和調整，看是否可以滿足要求。單頻段的外置天線用同一個天線相對容易，而多頻段天線和內(nèi)置天線可能性很小。2.1 內(nèi)置天線選型與手機設計內(nèi)置天線現(xiàn)在最常用的是PIFA天線，其設計簡單，尺寸小，對手機

44、結構的要求較少。建議現(xiàn)階段內(nèi)置天線選用PIFA形式。內(nèi)置天線的開發(fā)，需與手機設計同步，在手機進行概念設計之時，即需考慮內(nèi)置天線的設計問題，并與相關廠家進行使用。手機天線的性能測試也需與手機一體進行。關于匹配電路和結構設計的注意事項，請參看第一章的第四節(jié)。主要包括四個方面：1、 PCB板設計注意事項2、 內(nèi)置PIFA天線的面積要求和高度要求3、 結構的金屬件與天線的相對位置關系。4、 匹配電路形式2.2 外置天線選型與手機設計外置天線最常用的是螺旋天線，PCB印制天線正逐漸成為主流。建議現(xiàn)階段外置天線還是選用螺旋天線。外置天線的只需要考慮好選擇何種結構的天線，在手機設計之初并根據(jù)天線的基本特性確

45、定好天線的安裝方式與安裝位置即可，天線設計廠家根據(jù)接口要求設計。 關于匹配電路和結構設計的注意事項，請參看第一章的第四節(jié)。主要包括三個方面：1、 PCB板設計注意事項2、 結構的金屬件與天線的相對位置關系。3、 匹配電路形式2.3 手機天線選型的一般原則根據(jù)天線頻率：頻率低時，建議選擇外置天線，因為內(nèi)置天線需要較大的面積，從而對手機結構和設計提出較嚴的要求，導致手機設計困難。根據(jù)手機結構設計要求：直板式天線可選用內(nèi)置天線與外置天線兩種，外置天線適用PCB板式的天線，以減小外置天線的體積。折疊式手機可選用外置天線，如使用內(nèi)置天線，天線的放置位置需考慮，不要放在手機的下段。如果天線長度較長，而天線

46、置于手機的上端，可以考慮內(nèi)置天線與外置天線兩種，如果天線長度特別短，建議采用外置天線，最好是拉桿天線，用以降低操作者的影響。技術限制方面的要求：三頻以上的天線不再考慮外置天線，因為此時天線設計困難，多頻外置天線在各頻段上的性能有下降。采用側置天線可利用內(nèi)置天線設計的靈活性來改善天線特性。如果對天線的性能要求較高的單頻、雙頻天線，采用外置天線可獲得好于內(nèi)置天線的電特性。另外，手機用GPS天線一般是與主頻段天線合在一起，做多頻天線。而WLAN和bluetooth天線一般采用單獨的天線。大概是業(yè)界的習慣吧。3 現(xiàn)有手機天線的廠家情況分析與合作建議3.1 現(xiàn)有手機天線廠商和技術規(guī)模對比 通過這一段時間

47、的天線考察，我們了解到目前國內(nèi)的手機天線廠商已經(jīng)進入到了一個完全競爭的階段。而且，已經(jīng)成為世界手機天線的加工廠。據(jù)保守的估計，中國國內(nèi)的天線出貨量在2003年有3億支以上。而且絕大部分由下面七大廠商生產(chǎn)。而這七大廠商中，其中三大廠商都號稱他們的市場占有率為世界第一位，那就是上海安費諾，圣韻公司和天津加利。而Filtronic認為他們占有世界上30%的手機天線份額。因為他們占有nokia 80%的天線份額。通過考察他們的工廠，我們發(fā)現(xiàn)在我們考察的工廠中，大家的規(guī)模都差不多。詳細的對比在下面的表格里面。天線廠商名字天線廠商規(guī)模聯(lián)系人地址技術能力評估安費諾（amphenon）前身為臺灣安億400-500人，年產(chǎn)能7000萬支左右陳武斌 （結構工程師146顧錚 （RF工程師309這兩個專門對口華為上海安費諾永億通訊電子有限公司 安費諾已經(jīng)是我司的供應商。從合作的情況看，好像在天線加工工藝方面還有些問題，不過，測試設備比較齊全（包括微波暗室等），而且還有一個SAR的測試設備?；究梢詽M足我們的要求。只是在質量控制方面還需要我們多下功夫。上海盛韻（centurions）美國廠商400-500人年產(chǎn)能7000萬支左洪 市場經(jīng)理上海張江地區(qū)上海圣韻，北京圣韻都是圣韻公司的。由于公司成立的時間比較早（1996