浅谈手机天线的设计挑战与思路

摘要：随着手机日益普及，用户对手机的需求也变得越加苛刻起来，小型化，个性化，超薄，旋屏，多功能等等设计需求旺盛，手机设计师们面临的是更加激烈的挑战，从手机天线的角度来看，手机变得越来越小，频带越来越多，带来的设计挑战也就越大。
  一、手机天线的发展趋势
    目前手机上广为应用的小型内置天线，多为PIFA型天线，因型似倒置大写字母“F”而得名， PIFA天线的辐射体被安装在接地层的正上方，使用时天线辐射片与人脑之间正好相隔PCB板，这样就大大降低了辐射对人脑的影响，同时，PIFA天线兼顾天线小巧，结构易实现，外观等级要求不高，天线生产一致好等等诸多特点，至今依然在手机内置天线市场上，属于主流设计。
    随着手机进一步普及，用户不在局限于手机基本通讯功能，对手机外观与功能的需求变得挑剔起来，传统PIFA天线方案由于体积的局限，显然不能满足天线射频要求，也给天线设计者带来更大的挑战。
  二，当前手机天线设计挑战及存在问题
    小型内置型手机天线为电小类天线，各方向的辐射性能差异不大，从最终整机的OTA的测试性能来讲，小型内置天线，有两个非常重要的性能指标分别为效率与带宽。作为手机的一部分，手机天线最终性能如何，除了与手机的接收机的性能好坏有关外，更为关键的是手机本身的射频环境，以下列出当前手机天线设计过程中存在的设计挑战与问题。   
超薄迷你型手机
        手机厚度不足，主板长度不足，致天线有效空间不足，天线效率不足   
多频天线
        GSM850、GSM900、DCS、PCS、TDS-CDMA、WCDMA、CDMA2000等等或其中三种以上制式的组合，如GSM850、GSM900、DCS、PCS致天线带宽不足   
手机造型奇特
        旋盖，旋屏，滑盖，翻盖，或其中任意组合，天线在手机中的位置不利及有效空间不足, 致天线效率、带宽不足   
手机外观多为金属配件或含有金属成分的装饰器件
        金属器件特别是靠近天线的金属器件，或者未处理好接地的金属器件对天线产生的影响非常大，导致天线效率、带宽不足   
手机内部空间布局紧凑
    天线周围布满各类器件，如speaker、camera、LED、mic、键盘板等等，影响天线的性能。
  三、优化天线性能的思路
1、 天线外在的环境处理
1.1     去除不必要的金属地，天线面投影处全部净空，采用monopole天线方案，提高天线效率，monopole天线所需体积与PIFA相比更加小巧，通过去除辐射片下面PCB的地层，减少辐射片与PCB板地之间的耦合，大大减少了对天线实际的体积需求，从而使monopole天线达到PIFA天线自由空间的同等效果，且需求的体积不足PIFA一半,但缺少的PCB地层的阻隔，monopole天线对人脑的辐射比较大，同时，人手与人脑对天线谐振的影响相对比PIFA而言也比较大。
1.2     延长手机的板长，对于超小迷你型手机，作为天线的辐射体一部分的PCB，其板长对手机天线影响也犹为重要，正常手机宽度在为40mm情况下，PCB相对工作波长系数为0.4时，天线lowband900Mhz与upper band1800Mhz相对带宽呈现最大峰值。

2、 天线的材料选择，选择更好的材料，提升天线性能。
2.1 导电材料的选择
    不同的导电材料对天线最终性能的影响也是很明显的，在种种环境约束的情况下，选择一种适当的材料可能是解决问题的最佳思路，那么，在选择前了解每一种导电材料对小型内置天线性能的影响，也显得特别重要，以下表是常见各类导电材料对传统PIFA天线性能的影响的相应关系。
以下测试数据基于:PCB尺寸(单位:mm)：40*100*1;
PIFA天线尺寸(单位:mm)：40*20*7
天线支架：ABS

                                      材料                                    电导率            10^6 [S/m]                                    低频            效率峰值                                    高频            效率峰值                                                    银                                    61.73                                    59%                                    77%                                                    铜                                    58.13                                    56%                                    76%                                                    金                                    40.98                                    56%                                    75%                                                    镍                                    14.49                                    51%                                    72%                                                    铬镍                                    1.37                                    38%                                    57%                        
  表1，典型导电材料的电导率&峰值效率

2.2 介电材料的选择
    工程上通常采用各种塑料作为天线支架及手机外壳，理想情况下，辐射体在没在塑料支架作为支撑及外附时，可达到最佳的辐射性能，但为了满足一定的机械与环境测试要求，选择适当的材质作为天线支架与外附件也是必不可少的，可根据实际情况要求，选择介电常数高，但介质损耗低的材料，这样天线可以在最小的损耗的情况下尽可能的小型化，如陶瓷天线。

3、 突破现有无源天线设计思路局限，采用有源天线方案。
3.1 开关天线
    通常我们所见的PIFA天线谐振点是不变的，但开关天线的通过开关切换天线的谐振点，让天线工作在我们所需要的频段上面，采用这种思路，可以在相对有限的空间下，如同样在PIFA需要双频的空间40*7*20mm下, 轻松实现四频（GSM850、GMS900、DCS、PCS），甚至到五频（GSM850、GMS900、DCS、PCS、WCDMA），使天线自由切换在GSM的四频频段，及WCDMA之间，达到良好的射频性能。在普通PIFA天线边上多加一个耦合片，通过切换点接入开关电路，选择不同的长度传输线等效成不同感抗值，以改变天线的等效阻抗，调整天线工作谐振，从而达到实现四频、五频功能，开关天线基于可重构天线的理念
3.2 电调谐天线
    电调谐天线基本原理与前者相同，不同的是电调谐天线可以实现让天线谐振点微调到所设计的频带内每个点，且达到最好的阻抗匹配、最佳的辐射的性能，如下图，通过电压调整变容二极管改变切换点的接入阻抗，以改变天线的等效阻抗，从而达到实现从470Mhz到800Mhz的CMMB频段的最佳内置天线方案。
  
图1 电调谐CMMB天线
  参考文献
[1]刘学观，郭辉萍，《微波技术与天线》 2001 西安电子科技大学出版社，
[2] Hirasawa, Kazuhiro《Analysis, Design, and Measurement of Small and Low-Profile Antennas》　Artech House Publishers　1991
[3] 张敏，《CST微波工作室用户全书》，电子科技大学出版社，2004
[4] MURATA MANUFACTURING CO.EC: H01Q5/00B; H01Q9/04B2[P]. US5585810(A).1996-12-17