手机内置式天线
手机内置天线分类
手机内置天线分类1. PIFA皮法天线a.天线结构辐射体面积550～600mm2，与PCB主板TOP面的距离（高度）6～7mm。
天线与主板有两个馈电点，一个是天线模块输出，另一个是RF地。
天线的位置在手机顶部。
PIFA皮法天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR指标，是内置天线首选方案。
适用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。
b.主板天线投影区域内有完整的铺地，同时不要天线侧安排元器件，特别是马达、SPEAKER、RECEIVER、FPC排线、LDO等较大金属结构的元件和低频驱动器件。
它们对天线的电性性能有很大的负面影响.c.天线的馈源位置和间距一般建议设计在左上方或右上方；间距在4～5mm 之间。
2. PIFA天线的几种结构方式a.支架式天线由塑胶支架和金属片（辐射体）组成。
金属片与塑胶支架采用热熔方式固定。
塑胶常用ABS或PC材料，金属常用铍铜、磷铜、不锈钢片。
也可用FPC，但主板上要加两个PIN，这两项的成本稍高。
b.贴附式直接将金属片（辐射体）贴附在手机背壳上。
固定方式一般用热熔结构。
也有用背胶方式的，由于结构不很稳定，很少采用。
FPC也如此。
3. MONOPOLE（MLK）单极天线a.天线结构辐射体面积300～350mm2，与PCB主板TOP面的距离（高度）3～4mm，天线辐射体与PCB的相对距离应大于2mm以上。
天线与主板只有一个馈电点，是模块输出。
天线的位置在手机顶部或底部。
MONOPOLE单极天线如按要求设计环境结构，电性能可达到较高的水平。
缺点是SAR稍高。
不适用折叠、滑盖机，在直板机和超薄直板机上有优势。
b.主板天线投影区域不能有铺地，或无PCB，同时也不要安排马达、SPEAKER、RECEIVER等较大金属结构的元件。
由于单极天线的电性能对金属特别敏感，甚至无法实现。
c.天线的馈源位置馈电点的位置与PIFA方式有区别。
一般建议设计在天线的四个角上。
4. MONOPOLE单极天线的几种结构方式a.与PIFA天线相同，有支架式、贴附式。
利用内置天线实现手机FM收发器概要
利用内置天线实现手机FM收发器FM这种方法与传统的无源解决方案相比具有几点优势。
其中一个是有效消除了对天线阻抗为50欧的要求。
这是非常重要的调频频率，此处可以达到大约1米的辐射阻抗。
而固有的辐射放大器阻抗前置放大器的增益抑制了FM接收器大约6dB的噪声。
这相当于采用具有6dB高增益的无源天线。
由于限制了标准接收器自动增益这种有源天线确有弊端，但可以应付。
具体来说，就是设计与特性更为复杂，并且前置放大器耗费功率与PCB面积。
此外，有源器件必须受到保护来避免ESD，而且不会使灵敏度下降。
最重要的是，必须在没有有源天线的特性有益于有源天线的主要指标是由总输出噪声温度G/T(简称为G比T)归一化的总增益(天线+放大器)。
目前，如果提高放大器增益，输出噪声将增加,在G/T方面没有任何改善。
例如，G/T无损，完全匹配短偶极子或环路天线在室内温度下为-22.8 dB/K(具有1.8dBi的方向性，1.8dBi- 10log(290K))。
此处提出的G/T退化与完全匹配无损短偶极子天线有关的概念是与噪声指数(NF)的概念类似，因为在两个不同的节点对SNR进行了比较，但是在290 K噪声温度下在输入(如定义为NF的度量)并未要求匹配的源。
通常，由于大部分电学小型天线具有1.8dBi的方向性，增益G被认为是在各个角度上的“平均增益”，其与标准天线效率一致(所以，最大是0dB或100%)。
在本文整篇文章中，增益是与效率同义的，因此，并未包含方向性。
例如，G/T下降10dB，系统性能等价于无源天线-10dB效率(如果所有天线都被连接到无噪声接收器)。
除天线特性外，实际应用中G/T的退化值是受两个外部因素影响的：会增加输出噪声的周围噪声温度Ta，以及会增加天线输出噪声Tout(并因此减小G/T)的接收器噪声指数NFre。
已经表明由于人造RF噪声，Ta的值在FM频率下远高于室温T0(例如290 K 或-174 dBm/Hz)。
手机内置天线面临的挑战问题分析
手机内置天线面临的挑战问题分析用户都希望手机使用的是内置天线。
但是，这并不像想象的那么简单。
对于每一位手机用户而言，在通话的时候，突然中断总是令人生气，而且，如果接收效果不好，用户会感到不快。
对于手机的射频性能来讲，天线的性能极为重要。
网络运营商经常测量手机的发射和接收性能。
如果性能达不到标准，这样的手机根本就卖不出去，因为，他们在网上的表现太差。
性能差的天线还会影响功耗，缩短电池的使用寿命。
效率较低的天线在基站上所产生的功率较低，闭环功率控制系统需要对它进行补偿。
基站就会要求手机发射更大的功率。
这就是说，在通话时，天线会影响手机的功耗。
手机的款式，用起来是否舒适和安全，也是很重要的。
如果有得选择的话，用户会选择集成了内置天线的手机，因为，把这样的手机放在口袋里，会比使用外置天线的手机更舒适，而且，机壳的款式也可以设计得更吸引人。
从机械方面讲，内置天线更结实、更可靠。
然而，手机的一些新功能，比如，照相功能，会使手机在电气方面变得更加复杂，而且，在加入新功能之后，留给天线的空间就更少。
所有手机设计师将要面对的难题是：如何迎合消费者的需要，把内置天线纳入时尚的手机中。
有一个重要的问题，手机设计师必须首先问一问自己：能不能把性能合格的内置天线纳入自己设计的手机中去？在大多数情况下，只要有合适的地方放天线的话，那么，答案是肯定的。
特别需要指出的是，一定要给天线腾出合理的空间，手机设计师一定要愿意与天线设计师合作，解决所有可能出现的问题。
由于天线是在手机的里面，往往就会出现天线与其它器件之间相互干扰和交叉耦合的问题。
在手机中使用内置天线所遇到的困难比使用外置天线要多得多。
但是，如果方法正确，那么，在手机中使用内置天线，做起来既快效率又高。
对手机设计师而言，把内置天线用到手机上，需要解决三个主要的问题：第一、天线所要放置的位置；第二、天线可以使用的空间；第三、如何安排在手机内的其它元器件，避免带来问题。
用户都希望手机使用的是内置天线。
手机天线基础知识
PIFA需要的空间和其它条件
• PIFA需要的空间大小视乎频段和射频性能的需求。
双频（GSM/DCS）：600 ×7～8mm 三频（GSM/DCS/PCS）： ×7～8mm 700 m m2 满足以上需求则GSM频段一般可能达－ 1～0dBi， m m2 DCS/PCS则0～1dBi。 • 天线正下方一般避免安放器件，尤其是Speaker和Vibrator • 电池尽量远离天线。一般至少5mm以上。 • 天线同侧后盖上不用导电漆喷涂，谨慎使用电镀装饰。
内置天线分类
• PIFA Planar Inverted F Antenna • Internal Planar Monopole 内置平面单极天线 • Internal Helix 内置螺旋天线
手机结构 vs PIFA天线（直板 机）（一）
• 典型PIFA形 式,GSM/DCS (/PCS) • 位于手机顶部 • 面向Z轴正向， 与电池同侧。
• Efficiency（效率）
Gain＝Directionality × Efficiency
Efficiency＝Output Power/Input Power
天线原理
• Polarization（极化）
天线远场处电矢量轨迹。分线极化、圆极化、椭圆极化。 一般手机外置（stubby）天线在H面接近线极化，PIFA和Monopole极 化复杂。 基站入射波为线极化，方向与地面垂直。
天线馈点和接地的摆放 （红色为馈点，蓝色为接地）
手机结构 vs PIFA天线（翻盖 或滑盖）（一）
• 翻盖手机合 盖状态，天 线表现与直 板机无异。 • 开盖状态， 上下盖PCB 都为地，天 线由在地顶 端变为处于 地中央。
手机结构 vs PIFA天线（翻盖 或滑盖）（二）
手机RF设计知识连载之——手机内置天线设计
b. 布板RF模块附近避免安置一些零散的非屏蔽元件，屏蔽盒尽量规整一体，同时少开散热孔。最忌讳长条形状孔槽。含金属结构的元件，如喇叭、马达、摄像头基板等金属要尽量接地。对于折叠和滑盖机，应避免设计长度较长的FPC（FPC走线的时钟信号及其倍频容易成为带内杂散干扰），最好两面加接地屏蔽层。
c. 常见问题
一、内置天线对于手机整体设计的通用要求
主板
a. 布线 在关联RF的布线时要注意转弯处运用45度角走线或圆弧处理，做好铺地隔离和走线的特性阻抗仿真。同时RF地要合理设计，RF信号走线的参考地平面要找对（六层板目前的大部份以第三层做完整的地参考面），并保证RF信号走线时信号回流路径最短，并且RF信号线与地之间的相应层没有其它走线影响它（主要是方便PCB布线的微带线阻抗的计算和仿真）。PCB板和地的边缘要打“地墙”。从RF模块引出的天线馈源微带线，为防止走线阻抗难以控制，减少损耗，不要布在PCB的中间层，设计在TOP面为宜，其参考层应该是完整地参考面。并且在与屏蔽盒交叉处屏蔽盒要做开槽避让设计，以防短路和旁路耦合。天线RF馈电焊盘应采用圆角矩形盘，通常尺寸为3×4mm，焊盘含周边≥0.8mm的面积下PCB所有层面不布铜。双馈点时RF与地焊盘的中心距应在4～5mm之间。
三、手机内置天线形式比较
这里简单比较一下两种主流PIFA皮法和MONOPOLE单极天线，以及分别适用的机型结构：
有效面积mm2 距主板mm 天线投影下方 天线馈源 天线体积 电性能 SAR
皮法 600 7 有地 2 大 很好 低
单极 350 4 无地 1 小 好 稍高
折叠机 滑盖机 旋盖机 直板机 超薄折叠机 超薄直板机
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手机内置平面单极天线的多频与宽带技术研究
关键词 ： 手机 内置平 面单极 天线 ，多频化 ，宽频带 ，四频平面单极天线
Ｄ ｉ ０３ ６ １． ｓ ．６ ３ ５ ３ ．０ ２０ ．０ ｏ： ．９ ９ ｊｓ ｎ１ ７ — １ ７２ １ ．２０ ４ １ ｉ
Ｓｔ ｙ ｏ ｕｌ ｉ ｂ ｄ ａ ｏ ｄ ｎ ｃ ｎｏ ｏ ｙ ｏ ｈｅ ｈａ ｓ ｔｉ ｅ ｎ ｌｐ ａ ｒｍ ｏ ｐｏ ｅ ａ ｔ ｎ ｓ ｕｄ ｎ Ｍ ｔ － ａｎ ｎｄ ｂｒ ａ ｂａ ｄ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｆｔ ｎｄ ｅ ｎｔ ｒ ａ ｌ ｎａ ｎｏ ｌ ｎ ｅ ｎａ
手段 主要有 ： ＞ 采用单 一辐射 片 ：利 用几种不 同的波模式 ＿ 如 矩 ４ 即（ 形辐 射片的Ｔ 和Ｔ ） 实现 双频或者 多频工作 。 Ｍ 。 Ｍ。 模 来
图１ —１内置平 面单 极天 线基 本结 构
＞多分枝 技术 ・ ，利用多支路的结构产生 两 （ ）条 多
合 ，可 以控制耦合 的效 果以提 高带宽。
ห้องสมุดไป่ตู้
图３ １四频 单极 天线 的 立体 结构 图 —
Ｄｅ ａｎ ＆ Ａｐｏｌ ｔ ｓｉ ｉ ｉ ｃａ ｏｎ
宽频带 。
个谐振分支单元 ，分别为ＡＢ Ｃ谐振单 元 ，由于谐振单 元 和Ａ
长度不 同 ，这样 电流路 径 的长度也 会不 同 ，会 产 生两个 不
同 的 谐 振 频 段 ，如 图 ２ 所 示 。 —１
设 计 与 应 用
值 得一 提 的是 ，寄生辐射 片 的应 用 ，利用耦 合技 术产 生一 个新 的谐振 点 ，靠近 原有 的谐振 点来展宽 带宽 。 ｌ］ 。 １， 。１
费 ，３ Ｇ手机 通信 需要向下兼容２ 手机 通信 ，因此手机 天线 Ｇ 需要做 到宽频和 多频 ，同时覆盖ＧＳ （ ８ — ６ ＭＨｚ）、 Ｍ ８０ ９０
内置手机天线设计选型分析
内置Planar Monopole vs 手机 结构设计
• 内置Planar Monopole天线可以比同样工作 频率的PIFA小。
• Monopole必须悬空，平面结构下不能有 PCB的Ground。
• Monopole只需要一个Feed Point和PCB上 的Pad相连。
内置天线结构种类
• 金属线印刷在PCB平面，装载于PCB边缘。一般 净空区的长是天线长的1.6倍，宽约是天线 宽的1.6倍，净空区越大越好。
以上实际RF效果均不够理想。优点在于可以有效 利用手机空间及主板边角进行设计，对单频稍加 修改可快速设计通用的内置天线手机。
手机天线选型规则
谢谢大家！
内置平面Monopole出现的现 实意义
• 多模手机对多频段天 线的要求
• Monopole的大带宽和 高增益，足以应付3G 时代跨越2GHz的几百 兆带宽需求。
• 内置平面Monopole结 构灵活，易于与当今 多变的手机结构相配 合
Feed Strip PCB
天线低频部分 塑胶支架 38X6X4
PIFA需要的空间和其它条件
• PIFA需要的空间大小视乎频段和射频性能的需求。
双频（GSM/DCS）：600 ×7～8mm 三频（GSM/DCS/PCS）：m7m020 ×7～8mm 满DC足S以/P上CS需则求0～则1GdSBMi。频段一般可m能m2达－1～0dBi， • 天线正下方一般避免安放器件，尤其是Speaker和 Vibrator • 电池尽量远离天线。一般至少5mm以上。 • 天线同侧后盖上不用导电漆喷涂，谨慎使用电镀装饰。
天线馈点和接地的摆放 （红色为馈点，蓝色为接地）
PIFA的局限
• PIFA脱胎于带短路微带天线，有带宽窄的先天缺 点。
内置天线分类
手机天线主要可以分为PIFA 天线，单极天线，现在随着调试难度的增加，新添了一种IFA 天线。
PIFA 天线PIFA 天线对天线高度和面积有相当的要求一般双频高度要求在5mm 以上，面积满足400平方mm四频天线建议高度在7以上，面积满足500平方 mm虽然PIFA 要求天线空间较大，但是PIFA 天线与别种天线相比有自己有优点1， 天线稳定性好，天线面积高度控制得当，不会因为小的差异导致手机性能变化2，天线抗干扰能力强，天线附近允许存在一定的金属器件，手机外壳允许存在金属装饰（金属环）3， SAR 值测试相对好过（国内水货机测试较少）单极天线单极天线出现于PIFA 天线之后，在手机外壳越来越小的市场前提下应之而出的一个产物 单极天线又称MONOPOLE 天线，对天线自身的空间要求与PIFA 天线相比要求降低很多，主要是要看主板设计时所留净空位置（PCB 边缘至镂空边缘距离或镂空到天线的距离），一般来说双频天线要求天线净空大于4mm ，面积大于260平方mm四频则相对更高，要求天线净空大于6mm,面积大于300平方mm与PIFA 天线相比1， 单极天线更加适应目前日趋小薄得手机ID 设计，较小的空间设计出满足性能要求的手机天线。
2， 单极天线受周边金属器件和金属装饰影响较大，要求天线附近不得存在大金属器件，如SPK,CAMRE,马达，TV 拉杆等，且前壳金属环对天线影响很大。
天线主要所在面（尽可能高）IFA 天线IFA 天线可以看做MONOPOLE 天线的衍生，一般是在一高度和面积很难满足PIFA 天线要求，且天线周边净空不是很好的情况下，根据具体情况调试得出。
与PIFA 天线相比，IFA 天线一般多是作在支架斜面和侧面（PIFA 天线一般做于支架平面） 与单极天线相比，IFA 天线采用双腿（一馈电点，一地点），采用的面积与走法大致相同。
天线主要所在面要求尽可能远离金属。
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PCB 天线高频部分
从右图可见 • 该种 monopole保 持了低频 （1GHz）工 作频带。 • 高频则可有 着与中心频 率比值20% 以上、宽达 几百兆工作 带宽。
右图为该天线 模型在 1.8GHz频 率下的增益 方向图。 • 最大增益～ 4dBi。 • 全向性可控 制
内置Planar Monopole vs 手机 结构设计 • 内置Planar Monopole天线可以比同样工作 频率的PIFA小。 • Monopole必须悬空，平面结构下不能有 PCB的Ground。 • Monopole只需要一个Feed Point和PCB上 的Pad相连。
EIRP = transmitter power + antenna gain – cable loss
Power Setting 100 mW 50 mW 30 mW 20 mW 15 mW 5 mW 1 mW dBm 20 dBm 17 dBm 15 dBm 13 dBm 12 dBm 7 dBm 0 dBm Gain@ 6 dBi Patch 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi EIRP 26 dBm 23 dBm 21 dBm 19 dBm 18 dBm 13 dBm 6 dBm
内置天线分类
• PIFA Planar Inverted F Antenna • Internal Planar Monopole 内置平面单极天线 • Internal Helix 内置螺旋天线
手机结构 vs PIFA天线（直板 机）（一）
• 典型PIFA形 式,GSM/DCS (/PCS) • 位于手机顶部 • 面向Z轴正向， 与电池同侧。
XY平面为H面，YZ面E1面，XZ面E2面。
Z
基站
Y X
天线原理
• 一个理论上的各向同 性（Isotropic）天线 有全立体角相等的方 向分布。 • 该天线可作为其它天 线的参照。
侧视 (垂直方向图)
顶视 (平面方向图)
天线原理－偶极天线
• 偶极天线方向图侧视
看来Isotropic方向图垂直 方向收到“挤压”，水 平方向则扩大了覆盖范 围。
手机内置式天线设计
天线基本概念
• Return Loss（回波损耗S11）
天线原理
• Directionality（方向性系数）
天线辐射方向性参数。天线据此可分全向（omnidirectional）和定向（directional）。
• Gain（增益）
天线增益定义为规定方向的天线辐射强度和参考天线之比。
Beamwidth
Area of poor coverage directly under the antenna
Side View (Vertical Pattern)
Top View (Horizontal Pattern)
• EIRP（ Effective Isotropic Radiated Power ）
• 以上二图分别为直板（左）、翻盖（右）@1GHz时的增 益方向图。 • 由于翻盖打开，增益比直板状态增大了。直板状态全向性 好，翻盖状态则背向增益变小。
PIFA的局限
• PIFA脱胎于带短路微带天线，有带宽窄的先天缺 点。 • PIFA增益偏低。 • 结构单调，不易与当今灵活多变的手机结构相适 应。 • 面对3G和多模手机的要求，一个手机的天线（组） 必须同时面对900（800）MHz、1700MHz～ 2200MHz如此宽广电磁波谱的要求。PIFA显得力 不从心。
3. Stamping + Support + Pogo pin (正、反)
Stamping热熔到Support上，连接用Pogo Pin。
正向使用Pogo Pin一般适合于带support的C FPC + Support + FPC连接器 FPC + Support + Pogo pin (正、反) Housing表面电镀
PIFA需要的空间和其它条件
• PIFA需要的空间大小视乎频段和射频性能的需求。
双频（GSM/DCS）：600 m m ×7～8mm 三频（GSM/DCS/PCS）：700 m m2×7～8mm 满足以上需求则GSM频段一般可能达－1～0dBi， DCS/PCS则0～1dBi。 • 天线正下方一般避免安放器件，尤其是Speaker和 Vibrator • 电池尽量远离天线。一般至少5mm以上。 • 天线同侧后盖上不用导电漆喷涂，谨慎使用电镀装饰。
内置天线结构种类
天线 Pogo Pin 天线 Pogo Pin
PCB
正向使用Pogo Pin的
PCB
反向使用Pogo Pin的
1. Stamping
Stamping热熔到Housing内侧，Stamping伸出spring与手机PCB连接
2. Stamping + Support
Stamping热熔到Support上，连接用spring
侧视 (垂直方向图)
垂直波束
dipole (with Gain)
• 增益越高，垂直方向 波束越窄，水平方向 覆盖面积越大。
顶视 (水平方向图)
全向和定向
• 右上图为一高增益全 向天线。垂直方向波 束窄，阴影为天线不 能覆盖范围。水平方 向则覆盖面积很大。 • 右下图显示方向图被 “挤压”向一个方向， 辐射能量在一定角度 分布较大。而背面能 量分布少。
• Efficiency（效率）
Gain＝Directionality × Efficiency
Efficiency＝Output Power/Input Power
天线原理
• Polarization（极化）
天线远场处电矢量轨迹。分线极化、圆极化、椭圆极化。 一般手机外置（stubby）天线在H面接近线极化，PIFA和Monopole极 化复杂。 基站入射波为线极化，方向与地面垂直。
内置Helix
类似外置Helix内藏于手机壳内 • 金属线Helix嵌入塑料内模，轴线平行于PCB平面， 竖直装载于PCB顶端。 • 金属线Helix嵌入塑料内模，轴线平行于PCB平面， 平行装载于PCB顶端。 以上实际RF效果均不够理想。一般辐射效率在20%。 优点在于可以利用以往的外置天线手机主板设计， 稍加修改快速设计出一款内置天线手机。
内置平面Monopole出现的现 实意义
• 多模手机对多频段天 线的要求 • Monopole的大带宽和 高增益，足以应付3G 时代跨越2GHz的几百 兆带宽需求。 • 内置平面Monopole结 构灵活，易于与当今 多变的手机结构相配 合
Feed Strip 天线低频部分
塑胶支架 38X6X4
手机结构 vs PIFA天线（直板 机）（二）
short pin
w=15~25
Feed pin
L=35~40
Antenna
H=6~8
Ground
手机结构 vs PIFA天线（直板 机）（三） • PIFA最重要的三个参数 W，L，H，其中H和天线谐振频率的带宽密 切相关。W、L决定天线最低频率。 • 手机PCB的尺寸对PIFA有很大影响 • Shielding Case对天线的影响 • 手机电池芯对PIFA影响强烈。
2
天线馈点和接地的摆放 （红色为馈点，蓝色为接地）
手机结构 vs PIFA天线（翻盖 或滑盖）（一）
• 翻盖手机合 盖状态，天 线表现与直 板机无异。 • 开盖状态， 上下盖PCB 都为地，天 线由在地顶 端变为处于 地中央。
手机结构 vs PIFA天线（翻盖 或滑盖）（二）
• 右二图为合、开两 种状态下天线S11 参数的Smith圆图。 右上图为合盖，右 下为开盖。 • 由右图可见两种状 态下天线工作状态 发生较大变化。通 常低频谐振降低。