设计手机内置天线面临的挑战

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手机内置天线面临的挑战。
所有的用户都希望手机使用的是内置天线。但是，这并不像想象的那么简单。
Robert Thorpe
Antenova Ltd.
对于每一位手机用户而言，在通话的时候，突然中断总是令人生气，而且，如果接收效果不好，用户会感到不快。对于手机的射频性能来讲，天线的性能极为重要。网络运营商经常测量手机的发射和接收性能。如果性能达不到标准，这样的手机根本就卖不出去，因为，他们在网上的表现太差。



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使用内置天线面临的挑战

所有的用户都希望手机使用的是内置天线。但是，这并不像想象的那么简单。
Robert Thorpe
Antenova Ltd.
对于每一位手机用户而言，在通话的时候，突然中断总是令人生气，而且，如果接收效果不好，用户会感到不快。对于手机的射频性能来讲，天线的性能极为重要。网络运营商经常测量手机的发射和接收性能。如果性能达不到标准，这样的手机根本就卖不出去，因为，他们在网上的表现太差。
性能差的天线还会影响功耗，缩短电池的使用寿命。效率较低的天线在基站上所产生的功率较低，闭环功率控制系统需要对它进行补偿。基站就会要求手机发射更大的功率。这就是说，在通话时，天线会影响手机的功耗。
手机的款式，用起来是否舒适和安全，也是很重要的。如果有得选择的话，用户会选择集成了内置天线的手机，因为，把这样的手机放在口袋里，会比使用外置天线的手机更舒适，而且，机壳的款式也可以设计得更吸引人。从机械方面讲，内置天线更结实、更可靠。然而，手机的一些新功能，比如，照相功能，会使手机在电气方面变得更加复杂，而且，在加入新功能之后，留给天线的空间就更少。所有手机设计师将要面对的难题是：如何迎合消费者的需要，把内置天线纳入时尚的手机中。
有一个重要的问题，手机设计师必须首先问一问自己：能不能把性能合格的内置天线纳入自己设计的手机中去？在大多数情况下，只要有合适的地方放天线的话，那么，答案是肯定的。特别需要指出的是，一定要给天线腾出合理的空间，手机设计师一定要愿意与天线设计师合作，解决所有可能出现的问题。由于天线是在手机的里面，往往就会出现天线与其它器件之间相互干扰和交叉耦合的问题。在手机中使用内置天线所遇到的困难比使用外置天线要多得多。但是，如果方法正确，那么，在手机中使用内置天线，做起来既快效率又高。
对手机设计师而言，把内置天线用到手机上，需要解决三个主要的问题：第一、天线所要放置的位置；第二、天线可以使用的空间；第三、如何安排在手机内的其它元器件，避免带来问题。
如果了解提高产品的集成度的难点所在，可能对设计会有所帮助。一般言之，有两种天线可供选择：平衡天线和不平衡天线。平衡天线是独立工作的，与周围的环境无关。而不平衡天线必须接地。不平衡天线产生电流流到地，而且，在总的辐射功率中，包括这些电流所产生的功率。汽车上经常使用的单极天线就是一个很好的例子，它的车身就是地。
天线的性能也与它的尺寸大小有关。天线的尺寸是用波长来表示的。不平衡天线的地是有效尺寸的一部分，因此，实际的天线尺寸可以做得更小些。
移动电话的天线是不平衡天线的一个实例。它们的地是在手机里的金属结构，一般就是印刷电路板和它四周表面镀有金属材料的部件，这就是我们常说的印刷电路板总成。在手机里往往使用不平衡天线，这是因为它的尺寸比较小。对于低频带手机而言，例如GSM900手机和CDMA800手机，在用波长表示时，手机里能留给天线的空间狭小。于是，在这么狭小的空间里装一个高效率的平衡天线，是不可能的，所以一定要用不平衡天线。
对于频率较高的手机来说，位置对天线的限制就少得多了。例如，GSM1800的波长是GSM900的一半，因此，能给天线留出的空间也就更大些。在频带较宽的手机中可以使用平衡天线。最近，WCDMA手机的内置天线和GPS的外置天线都用了平衡天线。这么做的好处是：天线不会产生大电流在手机上流过。这就是说，天线的设计和手机的设计，关系不那么大。
然而，问题是：大部分手机都必须能够同时用于高频带和低频带。这就是说，只要把高频天线结合到低频天线里，把他们都做成不平衡天线就可以了。
天线的种类
在移动电话中使用过许多种天线。大致上可以把它们分为两类。第一类天线，和单极天线非常相似。像简正波螺线形天线（normal-mode helicals）、meanders天线和拉杆天线这些外部天线就属于这种类型。近来，把这类天线放在手机的里面，但是，这样的天线不是太普遍。在他们下面有地线时，他们就不工作，因此，在它下面的那部分印刷电路板装了很多元件的话，就不能工作。
第二类天线，例如，倒置F型平面天线（PIFA），它装在地线上面。由于这种天线使用印刷电路板上面的空间，因而，这类天线用得最普遍。混合绝缘体天线就是把绝缘体天线和PIFA结合在一起，它和PIFA一样，装在接地面的上方时，能够工作（图1）。
天线的位置
电讯产业多年来在长条型手机上的经验告诉我们：最好还是把天线安装在手机的顶部。这么做的原因是：如果你的手把天线挡住时，你发会现手机的性能会迅速下降，而如果天线装在手机的顶部，那它几乎就不会被挡住了。
如今，情况已经发生了变化，我们需要用新的思路去设计新手机的外型。通常情况下：现在只有两种类型的手机——长条型手机和翻盖型手机，或者折叠型手机。最近，又出现了新型的手机，比如，滑盖型手机和旋转型手机。旋转型手机的两个部分可以围绕着一个轴转动。所有这种由两个部分组成的手机使问题变得更复杂了：他们都必须在打开和合上两种状态下工作，而这种问题不会出现在长条型手机上。从电气的角度讲，这两种状态是不一样的，这就是说，在这两种状态下，手机的性能都必须符合要求。　
天线设计师一直非常关注天线周围的元器件。现在的手机都做很紧凑，因此，像电池和照相机部分常常紧挨着天线。相邻的元器件一般在很大程度上是决定产品性能的关键。对于不同的手机，它们的影响是不一样的，但是，都会严重地降低天线的性能。结果是，在开发过程的后期，设计师不得不对部分手机的零部件重新进行设计。
天线会在任何紧挨着天线的导体里感应电流。手机里的导体分为两种。第一种是印刷电路板总成，它包括了印刷电路板和它的屏蔽。这些互相连接的导体形成一个大导体，构成一个能改善天线性能的地。第二种导体由更小的分立元件组成，他们通过像导线和柔性印刷电路板（FPCB）这些连接件连接到印刷电路板上。应当避免在这些元件上产生激励电流，因为元件或者关联电路会有能量损失。由于在设计时，往往没有把这些元件或电路考虑进去，因此，能量损失通常都比较大。
连接方法
遵循设计指南，可以避免这些元件可能带来的问题。
需要用许多导线的内部连接通常用FPCB来完成的。例如，FPCB往往用来连接照相机。当把FPCB放到天线附近时，我们就要特别小心，因为FPCB和天线二者之间的耦合，可能会影响天线的性能。但是，只要对FPCB或是对天线做一个很小的改动，就能够解决这个问题。只要FPCB的位置固定好，问题也许不大。但是，如果FPCB没有固定好的话，那么，问题就会很严重。举一个例子，和一个可以自由旋转的照相机的连接时，如果其中的FPCB可以弯成许多不同的形状，那么，评定其效果的任何实验都是不能重复的。在这种情况下，要在FPCB上面做点什么就非常困难。
只需要几根导线进行的连接，就像连接到扬声器那样，往往用很简单的方法进行连接，例如，在每个端点焊上弹性触点或金属线。通常情况下，天线设计师更喜欢使用弹性触点。如果一个零件是用弹性触点来连接天线的话，那么，在每个手机里，它形成的电路长度是一样的。如果使用金属线来连接天线的话，那么，在各个手机里，它形成的电路长度可能就会有些不同。即使在制造时，电路的长度都是一致的，它可能和原型手机不一样。因此，在第一部手机中，频率为1600MHz时出现的问题，在第二部手机中可能是在1800MHz时表现出来。如果有问题的手机使用GSM1800频带，那么，第一部手机是工作正常，但是另一部手机却不能正常工作。
手机的电池会对天线的性能产生巨大的影响。电池会降低天线的谐振频率，同时还会降低它的效率。因此，最好的方法是：
● 电池应尽可能放在远离天线的位置（建议最小距离为5mm）。
● 使用15pF至33pF的并联电容器，让电池和控制电路在射频时接地。
● 由于金属弹簧夹是造成天线损失的一个因素，因此要使用塑料电池夹。
在大部分的手机中，扬声器是安放在印刷电路板上，与天线相对的另一边，这不会带来任何实际的问题。然而，在许多新的超薄型手机中，为了节省原本由扬声器所占用的印刷电路板的空间，把扬声器移到了天线那里。如果耦合到扬声器上，天线的效率就会明显下降。在这种情况下，最好是用一个非常短的弹簧片来连接扬声器，避免使用活动的导线。由于扬声器紧挨着天线，在设计的早期，天线设计师就应该拿到扬声器的样品，这点非常重要。如果无法避免使用活动的导线，那么，就应该在扬声器的两条连接导线中串联电感器作为保护。表面安装电感器一般会防止出现射频信号耦合。要给串联电感器留下焊盘，如果不需要的话，在最后设计印刷电路板时把它去掉。
射频屏蔽盒或者电磁干扰（EMI）涂层一般能够将手机的射频电路屏蔽起来。如果使用电磁干扰涂层，就要确保它涂层在印刷电路板上形成一个封闭的空间。如果电磁干扰屏蔽盒有一边是开放的，他们会产生空腔，而且，天线有可能会耦合进去。最后，在设计原型机的过程中，电磁干扰屏蔽涂层通常是用手工涂上的。由于经手工涂上电磁干扰涂层的电话不是完全一样的，因此，不能用来对天线进行比较。
天线所占用的空间
手机天线所占用的空间大小是一个非常重要的参数。大家知道，天线的性能和它的体积大小有关。然而，天线周围的环境必须与之协调。若非如此，天线的空间大小也就无关紧要了，而天线的性能便取决于它周围引起损耗的机制。
关于天线需要占用的空间大小，很难给一个准确的意见。现在，还没有任何计算公式能够计算出这个空间的大小。大多数天线设计师依靠的是他们的经验。要做出一个正确的估计，需要了解以下几项：
● 天线必须覆盖的频段；
● 每个频段要求达到的性能；
● 手机的外形尺寸；
● 在安装天线的空间还有什么其它零部件；
● 印刷电路板总成的长度和宽度。
在缺少所有这些信息的情况下，我们可以做一个粗略的计算，虽然，这些数据通常并没有什么用处，但用户往往要求提供这些估算的数据。一个简便的办法是：如果天线要覆盖更多的频段，那么它就需要体积更大的空间。如果天线需要同时覆盖两个低频段，它的尺寸显然会比只覆盖一个频段的天线大得多。这是由于在低频时，用波长表示的体积，相对较小，而且，在这些频率下，存在的困难也更多。所以四频带天线实现起来会遇到更多的难题。虽然我们可以做出任何尺寸的天线，但是，天线的性能和效率会随着体积的减小而明显降低。
地线的尺寸大小会影响天线的性能。对于同样的天线，印刷电路板总成的尺寸会把它的频带宽度改变一倍。天线设计师必须知道地线的尺寸大小，由此，来估算天线的尺寸。一般来说， 对天线而言，是为了在低频带时得到优良的性能，最适宜的长度是130mm，而最适宜的宽度是40mm左右（图2）。
就PIFA和混合绝缘体天线的外形尺寸而言，最重要的是它的厚度，而它的长和宽就比较不重要。大部分的手机使用的是PIFA，但是，还有一小部分手机使用了倒置F型平面天线，在他们的下面没有地线。正因为他们更像是单极天线，所以无需遵守这个规则，但是其他的外形尺寸同样也是很重要的。
作者简介
Robert Thorpe是Antenova公司的天线设计师，他拥有Sheffield大学电气工程学电机硕士学位。Antenova公司的总部设在英国剑桥。网址：www.antenova.com。
  
图1　PIFA天线装在接地面的上方（a）。混合绝缘体天线包含一个绝缘体天线和一个PIFA（b）。

图2　图中是混合绝缘体天线的带宽与印刷电路板长度的关系。

slgeric

这些东西天线工程师都知道，还是让手机公司的ID、MD好好看看吧，但愿他们能用到设计中去。一点个人看法：感觉有些脱离实际。

koobar

本人MD，以下不太明白：
如果天线要覆盖更多的频段，那么它就需要体积更大的空间。

体积是指什么？不是说面积影响性能吗？体积是指面积乘以金属片的壁厚？写给ID/MD看的话，拜托深入浅出一些哈！