手机天线设计的现状与未来

2016-10-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

在中国,手机产业从无到有,手机设计从发买购成熟方案到自主设计方案,在短短几年时间,中国手机行业已经发展到鼎前的兴盛,伴随着众多手机生产制造商的兴起,手机产业相关配套厂家在手机制造在产业集中地区聚集,近年发展比较快的手机天线供应厂家以蜂窝式的发展扩沿,一方面极大的缩短了手机天线的设计生产周期,方便快速的为各手机设计生产企业快速的实行试做与量产,另一方面加速了手机天线行业的不良竞争,淡化了手机天线的设计技术含量,大大降低了产品的品质与天线的未来发展。

在移动手机里,天线直接影响了手机的可通讯能力,直接决定了手机的射接收性能,甚至天线设计的好坏决定了该手机在市场的生存空间。在国外,品牌手机设计生产厂家普遍比较重视天线的前期研发与设计,他们多与参股与控股的形式培养一天线设计与生产研究所或专业电小天线设计公司,NOKIA 在国内控制了飞创,MOTOROLA 在国内参股了加利,在这种环境下,专业的天线设计公司为大品牌的手机提供了足够的天线设计保障。所以象NOKIA、MOTOROLA、SUNSUNG 等知名品牌总能在特定的环境下设计出性能优良的天线,把手机ID 与一流功能完整的结合。在国产手机中,目前只有为数不多的大公司比较重视天线的设计与制造,多数中小企业只是把天线视为普通的硬件,在空间上压缩再压缩,在性能上低劣又低劣,最终的结果是手机的客户或终端消费者无法接受手机的“可通话”性能,导致项目的流产或重新设计,造成资源及人力的浪费及商机的流失,大大的降低了企业的综合竞争力。

专业的分析,天线性能的好坏大致由以下几个因素来影响:

空间

行业内有一絮语“多大的空间决定多少的性能”,足够的可实行空间对天线来说是必须的。关于天线的可设计空间,建议客户在方案设计前期多与天线设计工程师做深入的沟通,了解天线的布置与潜在的问题点,以期位置的预留。天线工程师在设计过程中已经有相当的设计经验,哪些布局对天线的设计是有利,哪些空间的对天线的性能有更大的提高,对新的方案定义是必须的。同时多参考几家天线设计公司的建议,更有利于天线空间的合理性分配,来更完整的分配天线的空间。

关于天线的可利用空间,经常会遇到天线设计公司与手机整机商为了提高天线的性能争取天线的空间布局,只有绝少部分的设计公司会满足天线空间的基本要求,而绝大部分的设计公司会以手机完全、功能的名义尽可能的压缩天线的空间,后果是单款案件会频繁的更换天线设计公司,结果还是天线的性能达不到一定的要求、案目流产,怪恨天线设计公司的能力太差,等等。我们都知道现在的手机天线都是偶极子天线发展演变而来的,天线不可能在无穷小的空间实现功能,天线一定需要一个相对开放宽阔的空间,可以这么的说,还没有一个人可以完成“手机天线零空间”这个课题。

EMI

EMI(Electro Magnetic Interference) 在电子行业是一个普遍的问题,很多的问题点都是因为相关的处理没有很好的执行,或者深入的考虑。在手机天线由外置天线过度到内置天线的初期,很多的手机设计公司普遍遇到了手机的动态接收灵敏度的问题,可能设计的原理图与以前外置天线之PCB 的原理图是一致的,但是内置天线遇到了与灵敏度的问题,因为什么?当时一般的公司都认为是天线的问题,很少有人怀疑是自己设计的方案的问题。问题点是电路或其它的元器件对天线辐射的相互干扰,该干扰在手机动态接收过程中会影响手机的接受质量。在误码率的参考下,导致动态灵敏度偏低。EMI 的问题一般不会影响天线的辐射功率,同理不会影响天线的辐射效率,但是对天线的接收性能存在很大的隐患,因此做好电路的EMI 处理对天线的综合性能是必须的。可以通过合理的接地处理以及电路兼容处理等等。

至于近期将广泛推出的3G 手机则需要较佳的天线,规格也讲究,效率要求也高,尤其要求对人体影响必须减少。过去GSM 手机采TDMA 技术,随时间调变,只有8 分之1 有讯号;然而进入3G 时代采CDMA 技术,为连续调变,对人体的影响就比较大;因此手机天线就有较严格的要求。规格较高,抗干扰能力很重要,杂讯抑制能力够不够都是关键,若是杂讯过滤不掉,抗干扰耐受性是否足够就是重点。手机厂商的经验很重要,若是经验不足,零件摆放位置设计不够理想,就会产生很多问题,例如受话器与天线之间的干扰问题,就与Layout 如何设计关系很大。天线与有线圈的元件都容易产生干扰,除了受话器以外,震动功能所用到元件上面的小马达,也有线圈,也要避免干扰问题。

时间

时间对天线的设计是必须的,就算是前期有过详细的评估,在得到实物后一定是需要一定的时间来调试与测量天线的辐射接收性能。

天线的调试大致分以下几个环节:

1、天线设计方案的定夺:任何机型,在设计初期一定会有一个在该特种结构下的最优方案,把最合理的设计方案做为第一设计思考,往往会起到意想不到的效果。因为天线设计工程师可以充分利用他的成功设计过的经验来设计新的案件,往往该方案会形成一种实用的设计习惯。当然我们在设计的初期,会提供多套方案工设计调试。

2、天线之无源性能之调试:无源性能定义为基本的天线结构及馈电的考量,基本的参数指标有天线的固有阻抗,返回损失,发射系数,电压驻波比,天线的增益与方向性系数等等,调试周期约需要2-3 个工作日。该环节主要是针对特定的空间环境下,通过不同的天线的设计构造,来使天线的综合辐射性能达到最优。其中主要考量的是天线的方向性系数与平均增益(因为手机天线是负责射频终端的信号发射与接收,手机天线不能有太高的方向性,负责不利于手机在多路径效应下的信号保真度)。同时通过一定的实验做好多种设计方案下的调节趋势,以便后期的动态有源性能的优化,以便缩短天线的研发周期。

3、天线之有源性能之测试与优化:有源性能指的是天线负载在手机射频终端,手机发射接受电路给天线渡口足够的能量的前提下,手机总体的辐射与接收性能,还包括手机的频率误差、相位误差以及谐振平衡等指标。该测试环节是在天线本身有一定的增益及辐射效率的前提下,对天线与接收电路匹配的一个重要的环节。细言之,天线的谐振正常,增益可以满足基本的要求,不一定负载电路后会有很好的接收效果。手机天线的设计还是基于基本的微带天线的设计原理,微带天线的谐振带宽在0.8GHz—2GHz 频段是不可能设计到10%的,一般的设计形式只有7%左右,也就是说在一定的带宽范围内,一定会存在一个阻抗调整的问题。阻抗一般的基本方法有:修改天线端口的匹配网络;修改天线的馈点方式,修改天线的谐振路径的长度及宽度等等。良好的辐射接收性能需要足够细致的阻抗细致的调整工作。一般我司基本是通过高精度的匹配仿真软件与实际参数调整结合来完成这一重要的环节。通过标准实验室的综合性能测试我们基本可以认定该天线在实际使用环境下的通话质量。

4、天线工程样品的制作与性能确认: 该环节是把前期的实验结果以实物的形式反馈给客户,工程样品的制作务必要有高精度的制作工具及工艺。

5、客户验证天线后,参考客户的验证结论,对天线的性能稍做一些调整。以期进一步的完善。天线设计是一个注重细节处理的工作,需要在一定的基础上做性能的最终调整。完整的设计一款手机天线的周期大慨是在5 天左右。而手机设计公司正式开始导入天线的设计时间是在第一次试生产后,因此天线往往会因为急于量产而加快天线的设计进程。没有足够的实验时间,对天线的设计是不利的。微波天线的设计需要相关的软硬件配套。

1.高精度的测试仪器(网络分析仪,综合测试仪,频谱分析仪);
2.模拟自由空间测试环境(深圳最大的标准暗室,空间大小8X4X4,双轴双极化三维测试);
3.先进的天线仿真软件(Ansoft HFSS10.0, Zeland IE3D,agilent ADS, microwave office2005)

天线的可批量种类

天线设计调试完成后,将转化到天线的可批量设计。目前天线行业应用最多的天线结构还是天线支架与天线金属辐射体的结构。该结构最早由NOKIA 广泛应用,该种结构形式制作精度稍低,但有良好的可制作性,装配简单,工艺成熟等优点。

天线批量的不同的实现形式,对天线的性能并没有太大的影响,主要的不足是在快速量产的周期内,难度大的工艺制造工艺无法满足需求的时间。

天线设计前沿:

1、低姿态,低剖面的天线的广泛应用。

该种天线的设计形式是在普通的PIFA 天线的基础上改进而成,在更底的剖面完成的设计,该种设计思路借鉴PIFA与MONOPOLE 的优缺点,广泛应用与超薄机型以及空间比较紧的机型。该类型的天线已经被SUMSUNG 等大公司采用,并有良好的辐射接受效果。高辐射效率,抗干扰能力强的手机天线将会是近期设计的重点,在一定的环境中,如何提高天线的抗干扰能力呢?

2、未来手机将发展成为有更多的NOTEBOOK 的特性

在很小的空间内多支天线的共存,同时UWB 超宽带天线将会有更大的空间。一般形式的UWB 天线可以实现在0.4GHz-3.5GHz 的工作范围,但是该天线有一缺点是设计结构相当的复杂,可实现性不强,需要外围制造公司有更高的技术能力,相信在未来1-2 年内可以广泛应用在移动终端中.当然UWB 天线的实行市场化还需要良好的阻抗分支及匹配网络的设计.手机在近期将会把GPS、DVB-Digital Video Broadcasting、WIMAX、WIFI 等新技术钠入其中,增加手机的卖点。这些功能将对天线的性能有更高的要求。GPS 天线要求有一定的圆极化,DVB 数字电视天线将要求有更高的工作频宽及接收性能。而且这些天线存在一定的相互干扰因素,在后期实现过程中会出现一些问题。

3、主动天线能够自动切换频段

目前手机天线基本上是用被动天线形式设计,微带天线有它的不足,现阶段愈是高阶的手机,支持的频段愈多,4频或5 频手机就很风行;然而使用上,其实不管在哪里,都只有使用到单频而已,其它3 频就是浪费,尤其对于手机愈做愈小的需求上,更可以思考是否有改善空间?事实上,若强化天线技术,这种浪费是可以改变的,友金因而投入开发主动天线技术,能够随需求切换不同的频段,届时手机天线仅需提供单频,就不需要内建4 频天线模块。

总结

天线设计是手机设计成功链中的一个不可或缺的环节,天线性能的好坏直接会导致诸多的问题,期望手机设计公司多参考天线设计公司的意见,把国产手机的辐射性能做到更好。

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