深度解析手機(jī)天線的現(xiàn)狀與未來(lái)

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

在中國(guó),手機(jī)產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有,手機(jī)設(shè)計(jì)從發(fā)買購(gòu)成熟方案到自主設(shè)計(jì)方案,在短短幾年時(shí)間,中國(guó)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(jì)生產(chǎn)周期,方便快速的為各手機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)快速的實(shí)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(jìng)爭(zhēng),淡化了手機(jī)天線的設(shè)計(jì)技術(shù)含量,大大降低了產(chǎn)品的品質(zhì)與天線的未來(lái)發(fā)展。

在移動(dòng)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(jì)的好壞決定了該手機(jī)在市場(chǎng)的生存空間。在國(guó)外,品牌手機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家普遍比較重視天線的前期研發(fā)與設(shè)計(jì),他們多與參股與控股的形式培養(yǎng)一天線設(shè)計(jì)與生產(chǎn)研究所或?qū)I(yè)電小天線設(shè)計(jì)公司,NOKIA 在國(guó)內(nèi)控制了飛創(chuàng),MOTOROLA 在國(guó)內(nèi)參股了加利,在這種環(huán)境下,專業(yè)的天線設(shè)計(jì)公司為大品牌的手機(jī)提供了足夠的天線設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)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(jì)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(fèi)者無(wú)法接受手機(jī)的“可通話”性能,導(dǎo)致項(xiàng)目的流產(chǎn)或重新設(shè)計(jì),造成資源及人力的浪費(fèi)及商機(jī)的流失,大大的降低了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

專業(yè)的分析,天線性能的好壞大致由以下幾個(gè)因素來(lái)影響:

空間

行業(yè)內(nèi)有一絮語(yǔ)“多大的空間決定多少的性能”,足夠的可實(shí)行空間對(duì)天線來(lái)說(shuō)是必須的。關(guān)于天線的可設(shè)計(jì)空間,建議客戶在方案設(shè)計(jì)前期多與天線設(shè)計(jì)工程師做深入的溝通,了解天線的布置與潛在的問(wèn)題點(diǎn),以期位置的預(yù)留。天線工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),哪些布局對(duì)天線的設(shè)計(jì)是有利,哪些空間的對(duì)天線的性能有更大的提高,對(duì)新的方案定義是必須的。同時(shí)多參考幾家天線設(shè)計(jì)公司的建議,更有利于天線空間的合理性分配,來(lái)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(huì)遇到天線設(shè)計(jì)公司與手機(jī)整機(jī)商為了提高天線的性能爭(zhēng)取天線的空間布局,只有絕少部分的設(shè)計(jì)公司會(huì)滿足天線空間的基本要求,而絕大部分的設(shè)計(jì)公司會(huì)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(huì)頻繁的更換天線設(shè)計(jì)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(jì)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(lái)的,天線不可能在無(wú)窮小的空間實(shí)現(xiàn)功能,天線一定需要一個(gè)相對(duì)開(kāi)放寬闊的空間,可以這么的說(shuō),還沒(méi)有一個(gè)人可以完成“手機(jī)天線零空間”這個(gè)課題。

EMI

EMI(Electro Magnetic Interference) 在電子行業(yè)是一個(gè)普遍的問(wèn)題,很多的問(wèn)題點(diǎn)都是因?yàn)橄嚓P(guān)的處理沒(méi)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(guò)度到內(nèi)置天線的初期,很多的手機(jī)設(shè)計(jì)公司普遍遇到了手機(jī)的動(dòng)態(tài)接收靈敏度的問(wèn)題,可能設(shè)計(jì)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(wèn)題,因?yàn)槭裁?當(dāng)時(shí)一般的公司都認(rèn)為是天線的問(wèn)題,很少有人懷疑是自己設(shè)計(jì)的方案的問(wèn)題。問(wèn)題點(diǎn)是電路或其它的元器件對(duì)天線輻射的相互干擾,該干擾在手機(jī)動(dòng)態(tài)接收過(guò)程中會(huì)影響手機(jī)的接受質(zhì)量。在誤碼率的參考下,導(dǎo)致動(dòng)態(tài)靈敏度偏低。EMI 的問(wèn)題一般不會(huì)影響天線的輻射功率,同理不會(huì)影響天線的輻射效率,但是對(duì)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(duì)天線的綜合性能是必須的?？梢酝ㄟ^(guò)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(duì)人體影響必須減少。過(guò)去GSM 手機(jī)采TDMA 技術(shù),隨時(shí)間調(diào)變,只有8 分之1 有訊號(hào);然而進(jìn)入3G 時(shí)代采CDMA 技術(shù),為連續(xù)調(diào)變,對(duì)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(guò)濾不掉,抗干擾耐受性是否足夠就是重點(diǎn)。手機(jī)廠商的經(jīng)驗(yàn)很重要,若是經(jīng)驗(yàn)不足,零件擺放位置設(shè)計(jì)不夠理想,就會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題,例如受話器與天線之間的干擾問(wèn)題,就與Layout 如何設(shè)計(jì)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(dòng)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(wèn)題。

時(shí)間

時(shí)間對(duì)天線的設(shè)計(jì)是必須的,就算是前期有過(guò)詳細(xì)的評(píng)估,在得到實(shí)物后一定是需要一定的時(shí)間來(lái)調(diào)試與測(cè)量天線的輻射接收性能。

天線的調(diào)試大致分以下幾個(gè)環(huán)節(jié):

1、天線設(shè)計(jì)方案的定奪:任何機(jī)型,在設(shè)計(jì)初期一定會(huì)有一個(gè)在該特種結(jié)構(gòu)下的最優(yōu)方案,把最合理的設(shè)計(jì)方案做為第一設(shè)計(jì)思考,往往會(huì)起到意想不到的效果。因?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)工程師可以充分利用他的成功設(shè)計(jì)過(guò)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)新的案件,往往該方案會(huì)形成一種實(shí)用的設(shè)計(jì)習(xí)慣。當(dāng)然我們?cè)谠O(shè)計(jì)的初期,會(huì)提供多套方案工設(shè)計(jì)調(diào)試。

2、天線之無(wú)源性能之調(diào)試:無(wú)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(gè)工作日。該環(huán)節(jié)主要是針對(duì)特定的空間環(huán)境下,通過(guò)不同的天線的設(shè)計(jì)構(gòu)造,來(lái)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?yàn)槭謾C(jī)天線是負(fù)責(zé)射頻終端的信號(hào)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(hào)保真度)。同時(shí)通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)做好多種設(shè)計(jì)方案下的調(diào)節(jié)趨勢(shì),以便后期的動(dòng)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(cè)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(cè)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(duì)天線與接收電路匹配的一個(gè)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(huì)有很好的接收效果。手機(jī)天線的設(shè)計(jì)還是基于基本的微帶天線的設(shè)計(jì)原理,微帶天線的諧振帶寬在0.8GHz—2GHz 頻段是不可能設(shè)計(jì)到10%的,一般的設(shè)計(jì)形式只有7%左右,也就是說(shuō)在一定的帶寬范圍內(nèi),一定會(huì)存在一個(gè)阻抗調(diào)整的問(wèn)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(diǎn)方式,修改天線的諧振路徑的長(zhǎng)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(guò)高精度的匹配仿真軟件與實(shí)際參數(shù)調(diào)整結(jié)合來(lái)完成這一重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的綜合性能測(cè)試我們基本可以認(rèn)定該天線在實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果以實(shí)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(yàn)證天線后,參考客戶的驗(yàn)證結(jié)論,對(duì)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(jì)是一個(gè)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(jì)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(jì)公司正式開(kāi)始導(dǎo)入天線的設(shè)計(jì)時(shí)間是在第一次試生產(chǎn)后,因此天線往往會(huì)因?yàn)榧庇诹慨a(chǎn)而加快天線的設(shè)計(jì)進(jìn)程。沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)時(shí)間,對(duì)天線的設(shè)計(jì)是不利的。微波天線的設(shè)計(jì)需要相關(guān)的軟硬件配套。

1.高精度的測(cè)試儀器(網(wǎng)絡(luò)分析儀,綜合測(cè)試儀,頻譜分析儀);

2.模擬自由空間測(cè)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(cè)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(jì)調(diào)試完成后,將轉(zhuǎn)化到天線的可批量設(shè)計(jì)。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(jiǎn)單,工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。

天線批量的不同的實(shí)現(xiàn)形式,對(duì)天線的性能并沒(méi)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(wú)法滿足需求的時(shí)間。

天線設(shè)計(jì)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(jì)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(jì),該種設(shè)計(jì)思路借鑒PIFA與MONOPOLE 的優(yōu)缺點(diǎn),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(huì)是近期設(shè)計(jì)的重點(diǎn),在一定的環(huán)境中,如何提高天線的抗干擾能力呢?

2、未來(lái)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(shí)UWB 超寬帶天線將會(huì)有更大的空間。一般形式的UWB 天線可以實(shí)現(xiàn)在0.4GHz-3.5GHz 的工作范圍,但是該天線有一缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜,可實(shí)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(lái)1-2 年內(nèi)可以廣泛應(yīng)用在移動(dòng)終端中.當(dāng)然UWB 天線的實(shí)行市場(chǎng)化還需要良好的阻抗分支及匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì).手機(jī)在近期將會(huì)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(diǎn)。這些功能將對(duì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。

3、主動(dòng)天線能夠自動(dòng)切換頻段

目前手機(jī)天線基本上是用被動(dòng)天線形式設(shè)計(jì),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(shí)不管在哪里,都只有使用到單頻而已,其它3 頻就是浪費(fèi),尤其對(duì)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(shí)上,若強(qiáng)化天線技術(shù),這種浪費(fèi)是可以改變的,友金因而投入開(kāi)發(fā)主動(dòng)天線技術(shù),能夠隨需求切換不同的頻段,屆時(shí)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(jì)是手機(jī)設(shè)計(jì)成功鏈中的一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié),天線性能的好壞直接會(huì)導(dǎo)致諸多的問(wèn)題,期望手機(jī)設(shè)計(jì)公司多參考天線設(shè)計(jì)公司的意見(jiàn),把國(guó)產(chǎn)手機(jī)的輻射性能做到更好。

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