手機(jī)天線設(shè)計的現(xiàn)狀與未來

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在中國,手機(jī)產(chǎn)業(yè)從無到有,手機(jī)設(shè)計從發(fā)買購成熟方案到自主設(shè)計方案,在短短幾年時間,中國手機(jī)行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到鼎前的興盛,伴隨著眾多手機(jī)生產(chǎn)制造商的興起,手機(jī)產(chǎn)業(yè)相關(guān)配套廠家在手機(jī)制造在產(chǎn)業(yè)集中地區(qū)聚集,近年發(fā)展比較快的手機(jī)天線供應(yīng)廠家以蜂窩式的發(fā)展擴(kuò)沿,一方面極大的縮短了手機(jī)天線的設(shè)計生產(chǎn)周期,方便快速的為各手機(jī)設(shè)計生產(chǎn)企業(yè)快速的實行試做與量產(chǎn),另一方面加速了手機(jī)天線行業(yè)的不良競爭,淡化了手機(jī)天線的設(shè)計技術(shù)含量,大大降低了產(chǎn)品的品質(zhì)與天線的未來發(fā)展。

在移動手機(jī)里,天線直接影響了手機(jī)的可通訊能力,直接決定了手機(jī)的射接收性能,甚至天線設(shè)計的好壞決定了該手機(jī)在市場的生存空間。在國外,品牌手機(jī)設(shè)計生產(chǎn)廠家普遍比較重視天線的前期研發(fā)與設(shè)計,他們多與參股與控股的形式培養(yǎng)一天線設(shè)計與生產(chǎn)研究所或?qū)I(yè)電小天線設(shè)計公司,NOKIA 在國內(nèi)控制了飛創(chuàng),MOTOROLA 在國內(nèi)參股了加利,在這種環(huán)境下,專業(yè)的天線設(shè)計公司為大品牌的手機(jī)提供了足夠的天線設(shè)計保障。所以象NOKIA、MOTOROLA、SUNSUNG 等知名品牌總能在特定的環(huán)境下設(shè)計出性能優(yōu)良的天線,把手機(jī)ID 與一流功能完整的結(jié)合。在國產(chǎn)手機(jī)中,目前只有為數(shù)不多的大公司比較重視天線的設(shè)計與制造,多數(shù)中小企業(yè)只是把天線視為普通的硬件,在空間上壓縮再壓縮,在性能上低劣又低劣,最終的結(jié)果是手機(jī)的客戶或終端消費者無法接受手機(jī)的“可通話”性能,導(dǎo)致項目的流產(chǎn)或重新設(shè)計,造成資源及人力的浪費及商機(jī)的流失,大大的降低了企業(yè)的綜合競爭力。

專業(yè)的分析,天線性能的好壞大致由以下幾個因素來影響:

空間

行業(yè)內(nèi)有一絮語“多大的空間決定多少的性能”,足夠的可實行空間對天線來說是必須的。關(guān)于天線的可設(shè)計空間,建議客戶在方案設(shè)計前期多與天線設(shè)計工程師做深入的溝通,了解天線的布置與潛在的問題點,以期位置的預(yù)留。天線工程師在設(shè)計過程中已經(jīng)有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計經(jīng)驗,哪些布局對天線的設(shè)計是有利,哪些空間的對天線的性能有更大的提高,對新的方案定義是必須的。同時多參考幾家天線設(shè)計公司的建議,更有利于天線空間的合理性分配,來更完整的分配天線的空間。

關(guān)于天線的可利用空間,經(jīng)常會遇到天線設(shè)計公司與手機(jī)整機(jī)商為了提高天線的性能爭取天線的空間布局,只有絕少部分的設(shè)計公司會滿足天線空間的基本要求,而絕大部分的設(shè)計公司會以手機(jī)完全、功能的名義盡可能的壓縮天線的空間,后果是單款案件會頻繁的更換天線設(shè)計公司,結(jié)果還是天線的性能達(dá)不到一定的要求、案目流產(chǎn),怪恨天線設(shè)計公司的能力太差,等等。我們都知道現(xiàn)在的手機(jī)天線都是偶極子天線發(fā)展演變而來的,天線不可能在無窮小的空間實現(xiàn)功能,天線一定需要一個相對開放寬闊的空間,可以這么的說,還沒有一個人可以完成“手機(jī)天線零空間”這個課題。

EMI

EMI(Electro Magnetic Interference) 在電子行業(yè)是一個普遍的問題,很多的問題點都是因為相關(guān)的處理沒有很好的執(zhí)行,或者深入的考慮。在手機(jī)天線由外置天線過度到內(nèi)置天線的初期,很多的手機(jī)設(shè)計公司普遍遇到了手機(jī)的動態(tài)接收靈敏度的問題,可能設(shè)計的原理圖與以前外置天線之PCB 的原理圖是一致的,但是內(nèi)置天線遇到了與靈敏度的問題,因為什么?當(dāng)時一般的公司都認(rèn)為是天線的問題,很少有人懷疑是自己設(shè)計的方案的問題。問題點是電路或其它的元器件對天線輻射的相互干擾,該干擾在手機(jī)動態(tài)接收過程中會影響手機(jī)的接受質(zhì)量。在誤碼率的參考下,導(dǎo)致動態(tài)靈敏度偏低。EMI 的問題一般不會影響天線的輻射功率,同理不會影響天線的輻射效率,但是對天線的接收性能存在很大的隱患,因此做好電路的EMI 處理對天線的綜合性能是必須的。可以通過合理的接地處理以及電路兼容處理等等。

至于近期將廣泛推出的3G 手機(jī)則需要較佳的天線,規(guī)格也講究,效率要求也高,尤其要求對人體影響必須減少。過去GSM 手機(jī)采TDMA 技術(shù),隨時間調(diào)變,只有8 分之1 有訊號;然而進(jìn)入3G 時代采CDMA 技術(shù),為連續(xù)調(diào)變,對人體的影響就比較大;因此手機(jī)天線就有較嚴(yán)格的要求。規(guī)格較高,抗干擾能力很重要,雜訊抑制能力夠不夠都是關(guān)鍵,若是雜訊過濾不掉,抗干擾耐受性是否足夠就是重點。手機(jī)廠商的經(jīng)驗很重要,若是經(jīng)驗不足,零件擺放位置設(shè)計不夠理想,就會產(chǎn)生很多問題,例如受話器與天線之間的干擾問題,就與Layout 如何設(shè)計關(guān)系很大。天線與有線圈的元件都容易產(chǎn)生干擾,除了受話器以外,震動功能所用到元件上面的小馬達(dá),也有線圈,也要避免干擾問題。

時間

時間對天線的設(shè)計是必須的,就算是前期有過詳細(xì)的評估,在得到實物后一定是需要一定的時間來調(diào)試與測量天線的輻射接收性能。

天線的調(diào)試大致分以下幾個環(huán)節(jié):

1、天線設(shè)計方案的定奪:任何機(jī)型,在設(shè)計初期一定會有一個在該特種結(jié)構(gòu)下的最優(yōu)方案,把最合理的設(shè)計方案做為第一設(shè)計思考,往往會起到意想不到的效果。因為天線設(shè)計工程師可以充分利用他的成功設(shè)計過的經(jīng)驗來設(shè)計新的案件,往往該方案會形成一種實用的設(shè)計習(xí)慣。當(dāng)然我們在設(shè)計的初期,會提供多套方案工設(shè)計調(diào)試。

2、天線之無源性能之調(diào)試:無源性能定義為基本的天線結(jié)構(gòu)及饋電的考量,基本的參數(shù)指標(biāo)有天線的固有阻抗,返回?fù)p失,發(fā)射系數(shù),電壓駐波比,天線的增益與方向性系數(shù)等等,調(diào)試周期約需要2-3 個工作日。該環(huán)節(jié)主要是針對特定的空間環(huán)境下,通過不同的天線的設(shè)計構(gòu)造,來使天線的綜合輻射性能達(dá)到最優(yōu)。其中主要考量的是天線的方向性系數(shù)與平均增益(因為手機(jī)天線是負(fù)責(zé)射頻終端的信號發(fā)射與接收,手機(jī)天線不能有太高的方向性,負(fù)責(zé)不利于手機(jī)在多路徑效應(yīng)下的信號保真度)。同時通過一定的實驗做好多種設(shè)計方案下的調(diào)節(jié)趨勢,以便后期的動態(tài)有源性能的優(yōu)化,以便縮短天線的研發(fā)周期。

3、天線之有源性能之測試與優(yōu)化:有源性能指的是天線負(fù)載在手機(jī)射頻終端,手機(jī)發(fā)射接受電路給天線渡口足夠的能量的前提下,手機(jī)總體的輻射與接收性能,還包括手機(jī)的頻率誤差、相位誤差以及諧振平衡等指標(biāo)。該測試環(huán)節(jié)是在天線本身有一定的增益及輻射效率的前提下,對天線與接收電路匹配的一個重要的環(huán)節(jié)。細(xì)言之,天線的諧振正常,增益可以滿足基本的要求,不一定負(fù)載電路后會有很好的接收效果。手機(jī)天線的設(shè)計還是基于基本的微帶天線的設(shè)計原理,微帶天線的諧振帶寬在0.8GHz—2GHz 頻段是不可能設(shè)計到10%的,一般的設(shè)計形式只有7%左右,也就是說在一定的帶寬范圍內(nèi),一定會存在一個阻抗調(diào)整的問題。阻抗一般的基本方法有:修改天線端口的匹配網(wǎng)絡(luò);修改天線的饋點方式,修改天線的諧振路徑的長度及寬度等等。良好的輻射接收性能需要足夠細(xì)致的阻抗細(xì)致的調(diào)整工作。一般我司基本是通過高精度的匹配仿真軟件與實際參數(shù)調(diào)整結(jié)合來完成這一重要的環(huán)節(jié)。通過標(biāo)準(zhǔn)實驗室的綜合性能測試我們基本可以認(rèn)定該天線在實際使用環(huán)境下的通話質(zhì)量。

4、天線工程樣品的制作與性能確認(rèn): 該環(huán)節(jié)是把前期的實驗結(jié)果以實物的形式反饋給客戶,工程樣品的制作務(wù)必要有高精度的制作工具及工藝。

5、客戶驗證天線后,參考客戶的驗證結(jié)論,對天線的性能稍做一些調(diào)整。以期進(jìn)一步的完善。天線設(shè)計是一個注重細(xì)節(jié)處理的工作,需要在一定的基礎(chǔ)上做性能的最終調(diào)整。完整的設(shè)計一款手機(jī)天線的周期大慨是在5 天左右。而手機(jī)設(shè)計公司正式開始導(dǎo)入天線的設(shè)計時間是在第一次試生產(chǎn)后,因此天線往往會因為急于量產(chǎn)而加快天線的設(shè)計進(jìn)程。沒有足夠的實驗時間,對天線的設(shè)計是不利的。微波天線的設(shè)計需要相關(guān)的軟硬件配套。

1.高精度的測試儀器(網(wǎng)絡(luò)分析儀,綜合測試儀,頻譜分析儀);
2.模擬自由空間測試環(huán)境(深圳最大的標(biāo)準(zhǔn)暗室,空間大小8X4X4,雙軸雙極化三維測試);
3.先進(jìn)的天線仿真軟件(Ansoft HFSS10.0, Zeland IE3D,agilent ADS, microwave office2005)

天線的可批量種類

天線設(shè)計調(diào)試完成后,將轉(zhuǎn)化到天線的可批量設(shè)計。目前天線行業(yè)應(yīng)用最多的天線結(jié)構(gòu)還是天線支架與天線金屬輻射體的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最早由NOKIA 廣泛應(yīng)用,該種結(jié)構(gòu)形式制作精度稍低,但有良好的可制作性,裝配簡單,工藝成熟等優(yōu)點。

天線批量的不同的實現(xiàn)形式,對天線的性能并沒有太大的影響,主要的不足是在快速量產(chǎn)的周期內(nèi),難度大的工藝制造工藝無法滿足需求的時間。

天線設(shè)計前沿:

1、低姿態(tài),低剖面的天線的廣泛應(yīng)用。

該種天線的設(shè)計形式是在普通的PIFA 天線的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成,在更底的剖面完成的設(shè)計,該種設(shè)計思路借鑒PIFA與MONOPOLE 的優(yōu)缺點,廣泛應(yīng)用與超薄機(jī)型以及空間比較緊的機(jī)型。該類型的天線已經(jīng)被SUMSUNG 等大公司采用,并有良好的輻射接受效果。高輻射效率,抗干擾能力強(qiáng)的手機(jī)天線將會是近期設(shè)計的重點,在一定的環(huán)境中,如何提高天線的抗干擾能力呢?

2、未來手機(jī)將發(fā)展成為有更多的NOTEBOOK 的特性

在很小的空間內(nèi)多支天線的共存,同時UWB 超寬帶天線將會有更大的空間。一般形式的UWB 天線可以實現(xiàn)在0.4GHz-3.5GHz 的工作范圍,但是該天線有一缺點是設(shè)計結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜,可實現(xiàn)性不強(qiáng),需要外圍制造公司有更高的技術(shù)能力,相信在未來1-2 年內(nèi)可以廣泛應(yīng)用在移動終端中.當(dāng)然UWB 天線的實行市場化還需要良好的阻抗分支及匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計.手機(jī)在近期將會把GPS、DVB-Digital Video Broadcasting、WIMAX、WIFI 等新技術(shù)鈉入其中,增加手機(jī)的賣點。這些功能將對天線的性能有更高的要求。GPS 天線要求有一定的圓極化,DVB 數(shù)字電視天線將要求有更高的工作頻寬及接收性能。而且這些天線存在一定的相互干擾因素,在后期實現(xiàn)過程中會出現(xiàn)一些問題。

3、主動天線能夠自動切換頻段

目前手機(jī)天線基本上是用被動天線形式設(shè)計,微帶天線有它的不足,現(xiàn)階段愈是高階的手機(jī),支持的頻段愈多,4頻或5 頻手機(jī)就很風(fēng)行;然而使用上,其實不管在哪里,都只有使用到單頻而已,其它3 頻就是浪費,尤其對于手機(jī)愈做愈小的需求上,更可以思考是否有改善空間?事實上,若強(qiáng)化天線技術(shù),這種浪費是可以改變的,友金因而投入開發(fā)主動天線技術(shù),能夠隨需求切換不同的頻段,屆時手機(jī)天線僅需提供單頻,就不需要內(nèi)建4 頻天線模塊。

總結(jié)

天線設(shè)計是手機(jī)設(shè)計成功鏈中的一個不可或缺的環(huán)節(jié),天線性能的好壞直接會導(dǎo)致諸多的問題,期望手機(jī)設(shè)計公司多參考天線設(shè)計公司的意見,把國產(chǎn)手機(jī)的輻射性能做到更好。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才