手机的微型天线设计

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 19:41:16
移动电话的微型天线设计
(林宗辉/DigiTimes.com) 2007-2-5     
前言:以移动通信来说,手机的高频通信架构由单频、双频而至三频,甚至四频(加入了Wi-Fi),并且由外露的方式逐渐转变为内藏的设计,而在环保团体的监督之下,低辐射的设计也逐渐被重视。而由于手机的功能逐渐增加,从单纯通话使用,已经转为影音娱乐取向,甚至是时尚品味取向,在造型设计上也屡屡别出心裁。


▲图说:传统的外露式天线设计,现在已经逐渐少见。(资料来源:advencedem.com)


▲图说:手机已经全面走向内嵌式天线设计。(资料来源:Motorola)

 不过由于通信的需求,信号强度必须维持在一定的水平之上,但是在手机外型大幅改变,以及天线改为隐藏式的趋势之下,天线的设计势必也要跟着变动,才能提供可接受的信号水平,并且还要兼顾高效能、低辐射、小尺寸以及好搭配这几个特性,方能成为成功的设计。

 当然,目前需要天线的移动装置已经不只有手机一种了,包含移动电视、GPS等等,都需要借助成功的天线设计,来达到最佳的效能,而目前整合式的产品也越来越多,为了兼顾功能性与体积,具备更小体积的天线设计,也是天线设计者所面临的最大挑战之一。根据预测,到2008年,一般手机将可内建3、4个天线,借以符合包含手机通信、Wi-Fi、蓝牙、GPS甚至数码电视信号的接收与发射,而未来不同规范的无线标准将会越来越多,少数低功率无线传输标准也有可能进驻手机,加上更多不同的应用需求,天线与天线之间的搭配组合,并进而避免天线之间互相的干扰,甚至不同应用的天线的整合,都将会是未来的设计重点。

 设计天线时的考量参数


▲图说:一般手机的PCB元件布线。(资料来源:wppltd.demon.co.uk)

 一般在设计天线时,首先考量的便是等效全向辐射功率(EIRP)、阻抗带宽、辐射效率以及增益值等等。针对产品需求的特性,并且对尺寸、效率以及弹回耗损比值、辐射场型,分别达到配合主体产品的可造型化、省电性,并且有效提升传输速度以及传输效率。

 以台湾市场主流的WLAN天线为例,WLAN是一种具备了使用窄频收发天线、具备高速传输以及高增益天线等特性,具备WLAN功能的移动装置也已经有逐渐增加的趋势,除了智能型手机、PDA以外,连MP3随身听也都赶来差上一脚(微软的ZUNE随身听就具备了WLAN功能)。一般我们可以在产品上看到的WLAN天线可分为以下数种:偶极天线、芯片天线、PCB微带天线等。在实际设计上,WLAN的天线通常都会以最基本的镇列形式呈现,借以增加所处空间的信号收发效率。

 ■全频化

 WLAN的室外AP指向天线必须要同时具备高效能、长距离、全方向、全频段收发的特点,而室内AP指向天线则是注重多频段的兼容性、尺寸、以及隐藏式外在设计,并且要尽量避免与其它无线产品的电磁波产生互相干扰的状况。而未来通信方式将更为紧密、全方位的方向发展,一般固网、无线网络、无线通信等都将进一步整合,甚至互通,因此多频多模手机或其它手持装置就必须要具备更宽阔的频段。

 ■极小化


▲图说:3G手机的天线模块。(资料来源:Antenova)

 由于手持装置的功能越趋复杂,尺寸却反而要不断缩小,由于芯片工艺的进展有其限制,在矽芯片微缩已趋极限的状况之下,便只能要求天线机构的更进一步缩小,以利整体造型的小型化发展。在这方面可以有几个解决方案:

 1.微带天线-可以采用PCB工艺来生产,因此可以和系统机构进行更进一步的 整合,且同时能够解决阻抗匹配的问题。

 2.平面印刷-电天线则是具备了体积小、厚度薄、重量轻以及低成本的优点,在安装上也较其它天线架构简易许多,除了应用层面广以外,也可以轻易的配合不同外在构型而来改变布线的形状。

 3.芯片天线-由于此种架构的天线是利用多层陶瓷技术所发展,因此适合高频通信,而进一步量产之后,也能有效的降低成本。

 整合射频前端模块单芯片天线-这种天线架构是利用标准封装工艺制造,具备了高整合性、隔离性佳,并且在散热与辐射方面也有不错的表现,此种技术被普遍的应用在Wi-Fi、WiMAX、GPS、GPRS等等产品之中。

 由于追求极小化是天线产业的共同目标,业界甚至以革命来形容这样的发展态势,过去外露的杆状天线、碟状天线在移动装置上已不复存在。

 ■智能化

 由于通信基地台的传统天线有固定的响应频率以及信号涵盖范围,由于频道相当拥挤,且环境、地貌、建筑物等的不同,都会造成信号的多重路径衰弱,这会引起通信质量低落,导致系统的效率不佳。智能型天线的概念源于适应性天线阵列以提升空间资源的运用来达到提升信号干扰比的目的,并且同时也具备了消除干扰、自动波束调整等机制,从而达到提升频道效率、加大系统容量,并且有效的拉抬通信质量。

 手机天线的设计趋势与技术

 随着手机产业的发展,从功能面转向造型与时尚风之后,整合于手机内部的隐藏式天线已经成为实际上的天线架构主流,而即使为了要求手机的造型目的,而必须让天线藏身于机壳内部,屈就于狭小的PCB上,而不能往外伸张,但是天线的目的依旧不变,为手机提供最清晰的无线通信信号、GPS信号或电视信号(视乎整合的功能),隐藏式天线在天线主类的选择,以及相关布线的技术,与天线本身所能发挥出来的信号清晰度息息相关。

 ■天线设计注意事项

 在关连射频的布线时,在转弯处需应用45度角走线,或者是进行圆弧处理,合理设计是非常重要的关键。为了保证射频信号走线时,信号回流的路径可以达到最短,PCB与接地端的边缘必须做好绝缘动作。而从射频模块中拉出的天线连接带线,就不能布在PCB的正中央,以避免因走线阻抗难以控制而导致信号耗损的状况,而在金属屏壁交叉处必须做开槽回避设计,以防止走线与之短路。

 射频模块附近尽量避免安置零散的非屏壁零件,而金属屏壁也要尽量避免多开无谓的散热孔,以免影响屏壁效果。而包含金属结构的元件,包含扬声器、马达、摄影元件等的金属部分都尽量要进行接地。而某些手机在达到良好的传导接收敏感度之后,却会发生整体接收灵敏度差的状况,这可能是肇因于PIF天线的设计问题。发生信号杂散的状况则是天线的空间信号发设备PCB的金属元件吸收并产生二次辐射所致,所以非射频含金属元件都必须做好接地工作。此外,信号散射问题也可能与射频模块的谐振匹配电路有关,此类匹配电路若稳定性不佳,就很容易产生高频谐波的干扰。


▲图说:错误与正确的天线设计方式。(资料来源:Galtronics)

 此外,在进行天线性能的测试时,天线的反射指标(VSWR,return loss)在设计过程中一般只是作为参考。关键参数是传输性参数(如效率,增益等)。一味强调 return loss,其实没有意义,而SWR也只是参考值,无法完全说明天线效率的高低,当SWR表现好,且辐射效率高时,天线也才会具备高效率的表现。

 ■内嵌天线架构的分类

 •PIFA(Planner Inverted F Antenna)天线

 辐射体面积约550~600mm²,与PCB板平面的相对高度约6~7mm。天线与PCB有两个馈电点,一个是天线模块输出,另一个是射频接地。天线的位置通常在手机顶部。PIFA天线如按要求设计环境结构,则将可具备相当优秀的电气性能、SAR值表现,一般来说,是内嵌天线最普遍的方案之一。PIFA天线分为支架式与贴附式两种,支架式主要是由塑料支架与金属导体所组成,塑料通常是用ABS或PC材质,而金属方面则为铍铜、磷铜或不锈钢片。而贴片式则是直接将金属导体贴附于手机背壳上,并采用热熔结构或背胶方式固定,不过贴附式由于较不稳定,因此较少被使用。PIFA天线常被应用在具备相当厚度的手机产品之中,超薄诉求的手机可能就改采其它天线架构。

 •单极(monopole)天线

 辐射体面积300~350mm²,与PCB板平面的相对高度约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,是模块输出之用。天线的位置在手机顶部或底部。由于单极天线极为敏感,所以在天线投射区域内不可安排任何含较大金属结构的元件,比如说照相模块、扬声器或者是麦克风等。单极天线同样具有支架式与贴附式这两种。而少数具备特殊架构的天线设计,比如说Motorola的V3等超薄系列,都是以金属丝成型在顶部立面上,此种设计难度较高,但是可以将手机的厚度有效的降低。



 隐藏式天线增加了天线设计难度

 由于天线通常都是由金属弯曲而来的结构,具备了把电压和电流转换成电场与磁场的转换器,虽然接收器、发射器,不同的协议与技术都发展到目前的极致,但要是缺乏了天线这种具备简单结构的功能体存在,那么不论前端元件有多先进,照样无法达到产品所需要的功能。虽然过去天线的设计一度被工程师认为是简单而无足轻重的结构,但事实上,想要设计好一款足以担当通信大任的天线,并不是一件那么简单的一件事。

 举例来说,家中的电话主机已经从过去有线电话转变为目前主流的无线,手机也从以往的外露天线,转而成为目前的隐藏式天线,即使看的见,也仅止于机体外小小的突出,不过天线所扮演的角色依旧举足轻重。对于运作于高UHF与低微波区的移动电话,天线通常只有几公分的长度,虽然如此,要将这段天线安装进产品外壳内部,依旧不是一件简单的事,前面也有提到,有些天线设计是与电路板结合,成为印刷电路的一部分,不过为了信号的强度,主流设计仍以分离式架构为多。这种分离式架构的天线具有相当优秀的性能表现,但是其信号强度容易受到周围物体负载的影响。接近天线的元件(如相机模块等)都有可能与天线回路结合,并且吸收了一部分原本由天线本体所发射出去的能量,从而导致天线效率的降低。

 电磁波强度与信号两者的平衡点
 
 而另一个问题,就是由来已久的电磁波问题,由于人体也是电磁波的良好导体,当手握着手机并放在耳边讲话时,电破信号会转换成能量进入人体,这不仅会造成天线失谐,而且信号效率也会跟着降低,而虽然目前医学报告还未有手机电磁波影响人体的明确报告,但是以一般常识来说,人体吸收了过量的电磁波,绝对是有百害而无一益的。在这边,我们一般将人体吸收的电磁波值称为SAR值,吸收过量的电磁波亦即为SAR值过大。

 人体吸收了电磁波之后,将会使得手持装置的天线接收与发射强度双双降低,这会造成收信范围降低,以及更高的干扰,某些手机会利用提高发射功率来以补强损耗的信号强度,但是提高发射功率,同时也意味着电池寿命的降低,SAR值也会跟着升高。为了解决这样的缺点,也有制造商研发出隔离型偶磁极(Isolated Magnetic Dipole)架构的天线,这种设计可以把电流的流动局限于天线内部,进而避免与天线附近的元件产生干扰的现象,进而提高手机的天线效率。

 主流的两种内嵌天线设计方式,包含PIFA或单极天线这两种,在电磁波方面的表现也有程度不等的差别,一般来说采用PIFA天线设计的手机在电磁波方面有较佳的表现,也就是说被人体所吸收的电磁波较少,SAR值较低。


▲图说:高增益与低增益天线的差别。(资料来源:www.ehso.com)

 手机天线设计面临的挑战

 ■天线设计的成本问题

 为了日趋增加的功能需求,以及日益缩小的机构外型,加上必要的信号强度,以及最受关心的电磁波危害问题,天线的设计也越趋复杂化,但是市场的需求就是尽可能的降低成本,包括材料、生产装配以及设计阶段这几个环节都必须要兼顾。由于天线的设计与生产并不是一次性的成本,因此设计者必须不断的寻求更低成本的材料,以及能够应用于大规模生产的通用设计,并且要尽量降低生产所需要的成本。

 ■天线大小与主体产品体积问题

 手机早已超脱一般通话的功能,目前市面上的手机早已内建照相、MP3、无线网络、GPS、移动电视等不同工能,如何在整合了如此庞大的功能之后,依然保有良好的总体信号质量,并且同时将产品体积大小缩到极限,这几个要求可以说是接近于不可能的任务。虽然天线的设计趋势是越来越小,但是天线本身的大小仍存在其物理极限,如果天线的体积在标准点之下,随着体积的逐渐缩小,其接收效果也会同样越趋弱化。举例来说,对于刚好可以负担起1500MHz以上的波段收发信号的隐藏式天线来说,但处在1500MHz以下时,即使是同样的大小,仍然显得过小,而为了在小波段取得较佳的收信质量,就必须要把天线与PCB版做结合,藉由PCB的面机来补足收信的质量。

 当今的手机,天线的空间压缩得越来越小,是牺牲天线的性能作为代价的。以前大家比较多采用外置天线,平均效率在50%算低的,现在50%以上的效率就算很高了,一般市面上的手机,即使是如Nokia等有名公司设计出来的手机,也有效率低于20%的。有些滑盖式或旋转式的手机,甚至在某些频段的效率只有10%左右。

 ■手机构型与天线性能的关连

 若是采用PIFA天线设计,就大部分的情况来说,由于整个接地面都变成了天线,而手机的整体结构的设计就会直接影响到天线的性能。因此,如果手机等移动装置的内部元件有较大的改动,包括PCB长度、电池及塑料外壳等,那么天线的这一半就会失去均衡,必须透过重新设计PIFA天线来进行矫正。由于在一款手机的设计流程中,元件可能会经常被更换或移动,这样就会造成需要不断重新设计天线。无论对天线设计者还是手机设计者,天线重新设计的工作都昂贵耗时的。

 从产品规划来解决天线匹配问题

 对于制造商来说,虽然理想的状态是无论何种手机设计,都可以达到几乎或根本不需要对天线做任何设计变更,即可以简便地用于任何不同的手机平台,从而缩短手机的上市时间。但是实际上不是那么容易,因此大多以不同系列产品使用使用不同的设计大小范本,基本的外壳大小不变,而仅以变更元件或软件设计来作为新产品的推出。

 而为了因应越来越多的手机整合功能,也可以采用同频段天线共享的方式,举例来说,蓝芽和IEEE 802.11b/g Wi-Fi收发器就可以共享同一根天线,因为它们都工作在2.4GHz频段。在手机之中整合这二种界面也是相当自然的一件事,因为新近的高阶手机几乎需要透过这二种界面来进行VoIP通信—利用Wi-Fi连接区域网络,并使用蓝芽装置来进行耳机连接。