手機(jī)天線的設(shè)計思路

淺談手機(jī)天線的設(shè)計挑戰(zhàn)與思路摘要：隨著手機(jī)日益普及，用戶對手機(jī)的需求也變得越加苛刻起來，小型化，個性化，超薄，旋屏，多功能等等設(shè)計需求旺盛，手機(jī)設(shè)計師們面臨的是更加激烈的挑戰(zhàn)，從手機(jī)天線的角度來看，手機(jī)變得越來越小，頻帶越來越多，帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)也就越大。一、手機(jī)天線的發(fā)展趨勢目前手機(jī)上廣為應(yīng)用的小型內(nèi)置天線，多為PIFA型天線，因型似倒置大寫字母“F”得名，PIFA天線的輻射體被安裝在接地層的正上方，使用時天線輻射片與人腦之間正好相隔PCB板，這樣就大大降低了輻射對人腦的影響，同時，PIFA天線兼顧天線小巧，結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)，外觀等級要求不高，天線生產(chǎn)一致好等等諸多特點(diǎn)，至今依然在手機(jī)內(nèi)置天線市場上，屬于主流設(shè)計。隨著手機(jī)進(jìn)一步普及，用戶不在局限于手機(jī)基本通訊功能，對手機(jī)外觀與功能的需求變得挑剔起來，傳統(tǒng)PIFA天線方案由于體積的局限，顯然不能滿足天線射頻要求，也給天線設(shè)計者帶來更大的挑戰(zhàn)。二，當(dāng)前手機(jī)天線設(shè)計挑戰(zhàn)及存在問題小型內(nèi)置型手機(jī)天線為電小類天線，各方向的輻射性能差異不大，從最終整機(jī)的OTA的測試性能來講，小型內(nèi)置天線，有兩個非常重要的性能指標(biāo)分別為效率與帶寬。作為手機(jī)的一部分，手機(jī)天線最終性能如何，除了與手機(jī)的接收機(jī)的性能好壞有關(guān)外，更為關(guān)鍵的是手機(jī)本身的射頻環(huán)境，以下列出當(dāng)前手機(jī)天線設(shè)計過程中存在的設(shè)計挑戰(zhàn)與問題。超薄迷你型手機(jī)手機(jī)厚度不足，主板長度不足，致天線有效空間不足，天線效率不足多頻天線GSM850、GSM900、DCS、PCS、TDS-CDMA、WCDMA、CDMA2000等等或其中三種以上制式的組合，如GSM850、GSM900、DCS、PCS致天線帶寬不足手機(jī)造型奇特旋蓋，旋屏，滑蓋，翻蓋，或其中任意組合，天線在手機(jī)中的位置不利及有效空間不足，致天線效率、帶寬不足手機(jī)外觀多為金屬配件或含有金屬成分的裝飾器件金屬器件特別是靠近天線的金屬器件，或者未處理好接地的金屬器件對天線產(chǎn)生的影響非常大，導(dǎo)致天線效率、帶寬不足手機(jī)內(nèi)部空間布局緊湊天線周圍布滿各類器件，如speaker、camera、LED、mic、鍵盤板等等，影響天線的性能。

三、優(yōu)化天線性能的思路1、 天線外在的環(huán)境處理去除不必要的金屬地，天線面投影處全部凈空，采用monopole天線方案，提高天線效率，monopole天線所需體積與PIFA相比更加小巧，通過去除輻射片下面PCB的地層，減少輻射片與PCB板地之間的耦合，大大減少了對天線實(shí)際的體積需求，從而使monopole天線達(dá)到PIFA天線自由空間的同等效果，且需求的體積不足PIFA一半，但缺少的PCB地層的阻隔，monopole天線對人腦的輻射比較大，同時，人手與人腦對天線諧振的影響相對比PIFA而言也比較大。延長手機(jī)的板長，對于超小迷你型手機(jī)，作為天線的輻射體一部分的PCB，其板長對手機(jī)天線影響也猶為重要，正常手機(jī)寬度在為40mm情況下，PCB相對工作波長系數(shù)為0.4時，天線lowband900Mhz與upperband1800Mhz相對帶寬呈現(xiàn)最大峰值。2、 天線的材料選擇，選擇更好的材料，提升天線性能。2.1導(dǎo)電材料的選擇不同的導(dǎo)電材料對天線最終性能的影響也是很明顯的，在種種環(huán)境約束的情況下，選擇一種適當(dāng)?shù)牟牧峡赡苁墙鉀Q問題的最佳思路，那么，在選擇前了解每一種導(dǎo)電材料對小型內(nèi)置天線性能的影響，也顯得特別重要，以下表是常見各類導(dǎo)電材料對傳統(tǒng)PIFA天線性能的影響的相應(yīng)關(guān)系。以下測試數(shù)據(jù)基于:PCB尺寸（單位:mm）：40*100*1;PIFA天線尺寸（單位:mm）：40*20*7天線支架：ABS材料電導(dǎo)率10人6[S/m]低頻效率峰值高頻效率峰值銀61.7359%77%銅58.1356%76%金40.9856%75%鎳14.4951%72%銘鎳1.3738%57%表1，典型導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率&峰值效率2.2介電材料的選擇工程上通常采用各種塑料作為天線支架及手機(jī)外殼，理想情況下，輻射體在沒在塑料支架作為支撐及外附時，可達(dá)到最佳的輻射性能，但為了滿足一定的機(jī)械與環(huán)境測試要求，選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)作為天線支架與外附件也是必不可少的，可根據(jù)實(shí)際情況要求，選擇介電常數(shù)高，但介質(zhì)損耗低的材料，這樣天線可以在最小的損耗的情況下盡可能的小型化，如陶瓷天線。

3、突破現(xiàn)有無源天線設(shè)計思路局限，采用有源天線方案。3.1開關(guān)天線通常我們所見的PIFA天線諧振點(diǎn)是不變的，但開關(guān)天線的通過開關(guān)切換天線的諧振點(diǎn)，讓天線工作在我們所需要的頻段上面，采用這種思路，可以在相對有限的空間下，如同樣在PIFA需要雙頻的空間40*7*20mm下，輕松實(shí)現(xiàn)四頻（GSM850、GMS900、DCS、PCS），甚至到五頻（GSM850、GMS900、DCS、PCS、WCDMA），使天線自由切換在GSM的四頻頻段，及WCDMA之間，達(dá)到良好的射頻性能。在普通PIFA天線邊上多加一個耦合片，通過切換點(diǎn)接入開關(guān)電路，選擇不同的長度傳輸線等效成不同感抗值，以改變天線的等效阻抗，調(diào)整天線工作諧振，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)四頻、五頻功能，開關(guān)天線基于可重構(gòu)天線的理念3.2電調(diào)諧天線電調(diào)諧天線基本原理與前者相同，不同的是電調(diào)諧天線可以實(shí)現(xiàn)讓天線諧振點(diǎn)微調(diào)到所設(shè)計的頻帶內(nèi)每個點(diǎn)，且達(dá)到最好的阻抗匹配、最佳的輻射的性能，如下圖，通過電壓調(diào)整變?nèi)荻O管改變切換點(diǎn)的接入阻抗，以改變天線的等效阻抗，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)從470Mhz到800Mhz的CMMB頻段的最佳內(nèi)置天線方案。0V——0.5V 1.0V——I5V——2.0V——2.5V——2.0V圖1電調(diào)諧CMMB天線參考文獻(xiàn)劉學(xué)觀，郭輝萍，《微波技術(shù)與天線》2001西安電子科技大學(xué)出版社，Hirasawa,Kazuhiro《Analysis,Design,andMeasurementofSmallandLow-ProfileAntennas》Artech