使用内置天线面临的挑战

lilr Post at 2006/7/26 21:57:00

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。

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