手機天線設計的現狀與未來

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

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

在移動手機里,天線直接影響了手機的可通訊能力,直接決定了手機的射接收性能,甚至天線設計的好壞決定了該手機在市場的生存空間。在國外,品牌手機設計生產廠家普遍比較重視天線的前期研發(fā)與設計,他們多與參股與控股的形式培養(yǎng)一天線設計與生產研究所或專業(yè)電小天線設計公司,NOKIA 在國內控制了飛創(chuàng),MOTOROLA 在國內參股了加利,在這種環(huán)境下,專業(yè)的天線設計公司為大品牌的手機提供了足夠的天線設計保障。所以象NOKIA、MOTOROLA、SUNSUNG 等知名品牌總能在特定的環(huán)境下設計出性能優(yōu)良的天線,把手機ID 與一流功能完整的結合。在國產手機中,目前只有為數不多的大公司比較重視天線的設計與制造,多數中小企業(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,最終的結果是手機的客戶或終端消費者無法接受手機的“可通話”性能,導致項目的流產或重新設計,造成資源及人力的浪費及商機的流失,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。關于天線的可設計空間,建議客戶在方案設計前期多與天線設計工程師做深入的溝通,了解天線的布置與潛在的問題點,以期位置的預留。天線工程師在設計過程中已經有相當的設計經驗,哪些布局對天線的設計是有利,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。

關于天線的可利用空間,經常會遇到天線設計公司與手機整機商為了提高天線的性能爭取天線的空間布局,只有絕少部分的設計公司會滿足天線空間的基本要求,而絕大部分的設計公司會以手機完全、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計公司,結果還是天線的性能達不到一定的要求、案目流產,怪恨天線設計公司的能力太差,等等。我們都知道現在的手機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的處理沒有很好的執(zhí)行,或者深入的考慮。在手機天線由外置天線過度到內置天線的初期,很多的手機設計公司普遍遇到了手機的動態(tài)接收靈敏度的問題,可能設計的原理圖與以前外置天線之PCB 的原理圖是一致的,但是內置天線遇到了與靈敏度的問題,因為什么?當時一般的公司都認為是天線的問題,很少有人懷疑是自己設計的方案的問題。問題點是電路或其它的元器件對天線輻射的相互干擾,該干擾在手機動態(tài)接收過程中會影響手機的接受質量。在誤碼率的參考下,導致動態(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?？梢酝ㄟ^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 手機采TDMA 技術,隨時間調變,只有8 分之1 有訊號;然而進入3G 時代采CDMA 技術,為連續(xù)調變,對人體的影響就比較大;因此手機天線就有較嚴格的要求。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。手機廠商的經驗很重要,若是經驗不足,零件擺放位置設計不夠理想,就會產生很多問題,例如受話器與天線之間的干擾問題,就與Layout 如何設計關系很大。天線與有線圈的元件都容易產生干擾,除了受話器以外,震動功能所用到元件上面的小馬達,也有線圈,也要避免干擾問題。

時間

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

天線的調試大致分以下幾個環(huán)節(jié):

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

2、天線之無源性能之調試:無源性能定義為基本的天線結構及饋電的考量,基本的參數指標有天線的固有阻抗,返回損失,發(fā)射系數,電壓駐波比,天線的增益與方向性系數等等,調試周期約需要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計構造,來使天線的綜合輻射性能達到最優(yōu)。其中主要考量的是天線的方向性系數與平均增益(因為手機天線是負責射頻終端的信號發(fā)射與接收,手機天線不能有太高的方向性,負責不利于手機在多路徑效應下的信號保真度)。同時通過一定的實驗做好多種設計方案下的調節(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載在手機射頻終端,手機發(fā)射接受電路給天線渡口足夠的能量的前提下,手機總體的輻射與接收性能,還包括手機的頻率誤差、相位誤差以及諧振平衡等指標。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)。細言之,天線的諧振正常,增益可以滿足基本的要求,不一定負載電路后會有很好的接收效果。手機天線的設計還是基于基本的微帶天線的設計原理,微帶天線的諧振帶寬在0.8GHz—2GHz 頻段是不可能設計到10%的,一般的設計形式只有7%左右,也就是說在一定的帶寬范圍內,一定會存在一個阻抗調整的問題。阻抗一般的基本方法有:修改天線端口的匹配網絡;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致的阻抗細致的調整工作。一般我司基本是通過高精度的匹配仿真軟件與實際參數調整結合來完成這一重要的環(huán)節(jié)。通過標準實驗室的綜合性能測試我們基本可以認定該天線在實際使用環(huán)境下的通話質量。

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

5、客戶驗證天線后,參考客戶的驗證結論,對天線的性能稍做一些調整。以期進一步的完善。天線設計是一個注重細節(jié)處理的工作,需要在一定的基礎上做性能的最終調整。完整的設計一款手機天線的周期大慨是在5 天左右。而手機設計公司正式開始導入天線的設計時間是在第一次試生產后,因此天線往往會因為急于量產而加快天線的設計進程。沒有足夠的實驗時間,對天線的設計是不利的。微波天線的設計需要相關的軟硬件配套。

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

天線的可批量種類

天線設計調試完成后,將轉化到天線的可批量設計。目前天線行業(yè)應用最多的天線結構還是天線支架與天線金屬輻射體的結構。該結構最早由NOKIA 廣泛應用,該種結構形式制作精度稍低,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的周期內,難度大的工藝制造工藝無法滿足需求的時間。

天線設計前沿:

1、低姿態(tài),低剖面的天線的廣泛應用。

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

2、未來手機將發(fā)展成為有更多的NOTEBOOK 的特性

在很小的空間內多支天線的共存,同時UWB 超寬帶天線將會有更大的空間。一般形式的UWB 天線可以實現在0.4GHz-3.5GHz 的工作范圍,但是該天線有一缺點是設計結構相當的復雜,可實現性不強,需要外圍制造公司有更高的技術能力,相信在未來1-2 年內可以廣泛應用在移動終端中.當然UWB 天線的實行市場化還需要良好的阻抗分支及匹配網絡的設計.手機在近期將會把GPS、DVB-Digital Video Broadcasting、WIMAX、WIFI 等新技術鈉入其中,增加手機的賣點。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,在后期實現過程中會出現一些問題。

3、主動天線能夠自動切換頻段

目前手機天線基本上是用被動天線形式設計,微帶天線有它的不足,現階段愈是高階的手機,支持的頻段愈多,4頻或5 頻手機就很風行;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,若強化天線技術,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,能夠隨需求切換不同的頻段,屆時手機天線僅需提供單頻,就不需要內建4 頻天線模塊。

總結

天線設計是手機設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致諸多的問題,期望手機設計公司多參考天線設計公司的意見,把國產手機的輻射性能做到更好。

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