【文章內(nèi)容簡介】 益就可理解為標(biāo)稱天線輻射能量集中程度和能量轉(zhuǎn)換效率的總效益。 手機(jī)天線設(shè)計(jì)的要求目前，手機(jī)天線主要就內(nèi)置及外置天線兩種，內(nèi)置天線客觀上必然比外置天線弱。手機(jī)天線接近參考地的時(shí)候，大部分能量將集中在天線和參考地之前，而無法順利發(fā)射，所以天線發(fā)射，需要一個(gè)“儘量開放”的空間。而手機(jī)電路板就是手機(jī)天線的參考地，讓天線遠(yuǎn)離手機(jī)其他電路，是提高手機(jī)天線發(fā)射效率的關(guān)鍵。但受到實(shí)際環(huán)境限制以及大家追求攜帶方便的要求，手機(jī)的設(shè)計(jì)就必須在電氣方面做出妥協(xié)。實(shí)際上，所有的GSM手機(jī)的接收發(fā)送電路的增益都是可以根據(jù)環(huán)境變化而自動調(diào)節(jié)的，能通過合理的參數(shù)設(shè)定，會自動補(bǔ)償有關(guān)的損失。所以就手機(jī)整體而言，在信號比較好的情況下，內(nèi)置天線和外置天線並不能看出差別，而且現(xiàn)在人們外了手機(jī)外殼的簡約美觀而去掉外置式天線，因此手機(jī)天線向外置式發(fā)展是必然的。移動通信對手機(jī)天線的外在要求：天線尺寸小，緊湊，剖面低，機(jī)械強(qiáng)度好，重量輕，攜帶方便；電性能要求：水平面要求有全向輻射方向圖，頻帶寬，效率高，增益高，受周圍環(huán)境影響小，對人體輻射傷害小。在這些應(yīng)用中，小尺寸的天線是十分必要的。手機(jī)天線設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵參數(shù)是[8]：頻率範(fàn)圍用校正過單埠S11的網(wǎng)路分析測S11小於10dB的範(fàn)圍覆蓋所需頻段為合格。而目前國內(nèi)手機(jī)頻段有GSM 900MHz、DCS 1800 MHz以及PCS 1900MHz等。阻抗用校正後的網(wǎng)路分析儀測阻抗Smith圓圖上（0,0）是匹配點(diǎn)50 Ω?；夭〒p耗測量方法與頻率的測量相同， dB。電壓駐波比用網(wǎng)路分析儀測，先校正單埠S11，F(xiàn)ormat後測SWR。增益需在隔離度優(yōu)於80dB的遮罩中測量。在手機(jī)以天線和PCB介面處，引一個(gè)RF cable出來，加信號發(fā)射，用標(biāo)準(zhǔn)天線測待測天線發(fā)射出來的功率。所得測試及功率除以加到天線到PCB介面處信號的功率即為增益。額定功率需要在隔離度優(yōu)於80dB遮罩中測量。在手機(jī)上裝上SIM卡和電池，使手機(jī)處於發(fā)射狀態(tài)，用標(biāo)準(zhǔn)天線作近場測量，測出的功率為額定功率。極化方向可用垂直極化標(biāo)準(zhǔn)天線測量。如果被測天線是水準(zhǔn)極化，那垂直標(biāo)準(zhǔn)極化天線幾乎收不到信號。 手機(jī)天線的不同種類和性能對比傳統(tǒng)的手機(jī)天線可以根據(jù)天線所處的位置分為外置天線和內(nèi)置天線兩大類。手機(jī)天線按傳統(tǒng)的天線單元形式可分為：單極天線，螺旋天線，PCB印製螺旋天線，微帶貼片天線，縫隙天線，IFA天線和倒L天線，PIFA，陶瓷天線，其中前三種一般是外置天線，後面的幾種是內(nèi)置天線。 外置天線 外置天線一般為單極天線，製作簡單，但是尺寸較大，不便攜帶，容易折彎變形。傳統(tǒng)的拉桿天線一般是採用一節(jié)1/4波長螺旋和一節(jié)1/2波長螺旋構(gòu)成，需要介質(zhì)棒來實(shí)現(xiàn)手機(jī)的高增益。為了減少外置天線的尺寸一般採用螺旋天線，[11]。這種天線還有許多變形，能夠?qū)崿F(xiàn)多頻、寬頻以及低頻段如：FM/AM或450MHz的電視頻段的要求，有很強(qiáng)的靈活性，因此在外置天線中，此類天線的應(yīng)用越來越廣。 普通螺旋天線和PCB螺旋天線外置天線的優(yōu)點(diǎn)是頻帶範(fàn)圍寬、接收信號比較穩(wěn)定、製造簡單、費(fèi)用相對低；缺點(diǎn)是不能集成到印製電路板或者設(shè)備外殼上，增加總尺寸，比吸收率（SAR）高，不易遮罩，人體對天線的性能影響較大。僅有一種計(jì)畫特性，在人體附近場性能較差。總的來說，單極天線由於其要求是四分之一波長或二分之一波長的一根振子的長度，尺寸大，一般不使用。拉桿天線雖然有效增益高，電性能較好，但需要使用記憶金屬作為材料、小體積、頻帶擴(kuò)展容易實(shí)現(xiàn)的特性成為外置天線的主流，但其形狀固定，加工不易達(dá)成精確控制和重複性，不適合手機(jī)造型設(shè)計(jì)等特殊要求。PCB形式的螺旋天線形狀是扁平特性的，比普通落選填寫的體積更小，同時(shí)此類天線的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的靈活性，應(yīng)用漸多。在外置天線的應(yīng)用中螺旋天線還是第一選擇，其次是PCB形式的螺旋天線。 內(nèi)置天線內(nèi)置天線的特點(diǎn)：可以集成到外殼上，不額外增加設(shè)備尺寸，有機(jī)械剛性，不易損壞；可以採用將其安放在手機(jī)中遠(yuǎn)離人腦的一面，而在靠近人腦的部分貼上反射層或保護(hù)層這種遮罩技術(shù)來減小輻射對人體的傷害，SAR值小。輸入阻抗容易做到50Ω，容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，重複性好，這一點(diǎn)對未來的移動通信系統(tǒng)來說非常有用。內(nèi)置天線的形式特別多，包括Monople、IFA天線和到L天線、PIFA、陶瓷天線等等。Monople天線是單極子的外置天線的變形，它只有一個(gè)饋點(diǎn)的接觸彈片，內(nèi)部可以有多種幾何結(jié)構(gòu)形式，一般需要調(diào)試匹配電路來達(dá)到較高的增益。大多數(shù)超薄手機(jī)使用的是Monople天線，它的特點(diǎn)是尺寸小，輻射效率高，但是對輻射環(huán)境要求很高，並且SAR值較大[12]。陶瓷天線是一種特殊的小型化介質(zhì)天線。通過增加材料的介電常數(shù)可以使頻率偏低，能有效的縮小天線的尺寸，陶瓷介質(zhì)比PCB電路板的介質(zhì)損耗小，所以Q值高，但它的帶寬窄，頻寬與多頻均不易實(shí)現(xiàn)，陶瓷天線可分為塊狀（Block）陶瓷天線與多層（Multilayer）陶瓷天線兩種，前者是使用高溫（攝氏1000度以上）將整塊陶瓷體一次燒結(jié)完成後再將天線的金屬部分印在陶瓷塊的表面上；後者則採用低溫共燒（Low Temperature Cofired）的方式將多層陶瓷迭壓對位後再低溫800~900度的溫度燒結(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以依設(shè)計(jì)需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，故可有效縮小天線所需尺寸，並能達(dá)到隱藏天線設(shè)計(jì)佈局的目的。一般地，陶瓷天線只在要求天線尺寸極度小的情況下使用，我們所設(shè)計(jì)使用的陶瓷天線頻帶窄，增益高，效率高，但成本相對較高。不過目前以成功在多款手機(jī)中使用，用以完成藍(lán)牙，GPS等功能。PIFA天線的英文意思是“Planar Inverted F –shaped Antenna”即平面倒F型天線。由於整個(gè)天線的形狀像個(gè)倒寫的英文字母F，故得名。此天線的發(fā)展順序是：頂載入——倒L天線——倒F型天線——平面倒F型天線（PIFA）。其基本結(jié)構(gòu)是採用一個(gè)平面輻射單元為輻射體，並以一個(gè)大的地面為反射面，輻射體上有兩個(gè)互相靠近的Pin腳，分別用於接地和作為饋電點(diǎn)。PIFA天線是一種具有水準(zhǔn)和垂直兩種極化特性的天線，具有小型化、結(jié)構(gòu)緊湊便於內(nèi)置、加工製作簡單、成本低，切後向輻射小、比吸收率（SAR）值低等特點(diǎn)，因而在目前的移動通信系統(tǒng)，尤其是手機(jī)等移動終端中被廣泛採用[13]。 手機(jī)PIFA天線設(shè)計(jì)方法PIFA天線是現(xiàn)在手機(jī)天線使用的最多的一種內(nèi)置天線，其具有體積小，增益高，易集成，重量輕，饋電方式靈活，便於獲得線極化和圓極化，頻寬相對較寬等特點(diǎn)，因此，它在無線通訊天線領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。多年來，多數(shù)手機(jī)天線都一直沿用這種傳統(tǒng)的PIFA天線設(shè)計(jì)方案。目前，市面上可以看到的手機(jī)內(nèi)置天線，其中有60%~80%都是採用這種天線設(shè)計(jì)的。 PIFA天線的由來和基本結(jié)構(gòu)PIFA天線是由倒L天線的變形而來的，它由作為垂直元的短單極子和附加在單極子末端的水準(zhǔn)單元組成。圖33中1是垂直單元，2是水準(zhǔn)單元，3是饋電點(diǎn)，4是接地板。由於倒L天線有一個(gè)低阻抗值，它基本上是在單極子末端加了一段水平線的垂直短單極子天線，天線的輸入阻抗幾乎等於短單極子天線加上與地面接近的水平線的電抗。為了增加輻射電阻，在垂直單元的末端附加另一段倒L型線段，這一變形非常重要，因?yàn)榈笷天線，不需要在天線和負(fù)載之間附加任何電路的情況下，調(diào)整它的幾何尺寸就能使其輸入阻抗具有與負(fù)載阻抗相匹配的值，這就是倒L型天線變形成倒F天線（IFA）的原由。[14]。 倒L天線模型 倒F天線（IFA）模型線性的IFA天線是一種小尺寸天線，當(dāng)輻射單元僅採用頂部的一個(gè)金屬導(dǎo)線時(shí)輻射效果並不理想（輻射電阻?。?，為增大輻射電阻和提高輻射效率而採用頂部載入技術(shù)，將頂部的輻射線用輻射平面代替，從而形成平面輻射單元。另一方面，當(dāng)接地線和饋線僅僅為一條細(xì)線時(shí)，其等效的射頻分佈電感較大，而引線上的分佈電容較小，這意味著天線具有較高的Q值和較窄的頻帶。根據(jù)電小天線Q值和頻寬的關(guān)係，增大頻寬的途徑就是降低Q值，因此將接地線和饋線用具有一定寬度的金屬片取代可以增加分佈電容和減小分佈電感，從而增大天線頻寬。這樣就形成了PIFA天線，其基本結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分：接地平面、輻射體、短路金屬片（接地）和同軸饋線。其中接地平面可以作為反射面，輻射體是與接地平面平行的金屬片，短路金屬片用來連接輻射體和接地平面，同軸饋線用於信號傳輸。 PIFA天線基本結(jié)構(gòu) 有關(guān)PIFA天線的若干定性結(jié)論根據(jù)以上PIFA近似模型，已有不少文獻(xiàn)中對PIFA天線進(jìn)行近似分析，並得到很多有指導(dǎo)意義的結(jié)論[8]。假設(shè)分析採用典型的PIFA天線基本結(jié)構(gòu)，其輻射體為一矩形銅片，銅片的長度（L），寬度（W）和天線的中心諧振頻率。 PIFA天線的諧振頻率公式滿足以下近似關(guān)係：f0≈c4（L+W） 其中c是真空中的光速 （）這公式也表明，矩形輻射體PIFA天線長邊和寬邊之和近似等於1/4。輻射體和接地面之間的高度H對天線的工作頻寬產(chǎn)生嚴(yán)重影響，頻寬隨著H的增加而增加。PIFA天線中對頻寬起決定作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)就是H。一般手機(jī)天線中H不允許低於7mm，最好大於8mm，嚴(yán)禁低於6mm。接地片的寬度也對頻寬產(chǎn)生影響。增加接地片的寬度將增加頻寬，降低接地片的寬度將降低頻寬。改變饋電點(diǎn)的位置可以改變輸入阻抗，因此可以通過改變饋點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。但是這種方法往往比較難以實(shí)現(xiàn)。PIFA天線僅在半空間輻射，因此具有很高的前後比（68dB），比外置天線有較好的SAR值。PIFA天線接地面的大小會影響天線的頻寬。最優(yōu)接地面尺寸受PIFA天線輻射體尺寸的影響。在手機(jī)設(shè)計(jì)中，GSM頻段最優(yōu)接地面的大小大致為，DCS頻段最優(yōu)接地面大小大致為，如接地面尺寸稍微偏離最優(yōu)尺寸，則會使頻寬略有下降。 多頻段工作的實(shí)現(xiàn)為了適應(yīng)手機(jī)多頻段工作，需要內(nèi)置天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作。PIFA天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作，可以通過使用雙饋點(diǎn)，或通過在PIFA天線輻射金屬片上採用開槽技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。使用雙饋點(diǎn)時(shí)，調(diào)諧頻率調(diào)諧範(fàn)圍往往受到一定的限制，因此實(shí)際手機(jī)中的多頻段多採用開槽的方式實(shí)現(xiàn)多頻工作。此處我們以PIFA天線中通常使用的兩種開槽：L型開槽和U型開槽為例實(shí)現(xiàn)雙頻功能進(jìn)行分析[8]。L型開槽PIFA天線： L型開槽天線通過開槽，改變了原先的電流路徑，形成兩個(gè)相對獨(dú)立的電流回路，從而實(shí)現(xiàn)PIFA天線的雙頻工作。在L形開槽下，長度L、寬度W的矩形金屬片作為輻射元1，產(chǎn)生低頻諧振頻率；長度為G寬度為W2的矩形金屬片作為輻射元2，產(chǎn)生高頻諧振頻率。在L型開槽下，低頻諧振頻率和高頻諧振頻率可以分別估算為下面公式：f1=c4（H+L+W） （）f2=c4（H+G3+W2） （）上述公式只具有近似的指導(dǎo)意義，不具有嚴(yán)格的意義。比如手機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)的預(yù)留尺寸不能根據(jù)上式不能嚴(yán)格計(jì)算出就是諧振在880960MHz之間。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，天線的諧振頻率會受到L、W、GWGG2和L2等多個(gè)參數(shù)的影響，我們需要通過多次調(diào)試，才能得到理想的性能。 L型開槽參數(shù)對天線性能的影響F1F2SWR1SWR2BW1BW2G1 ↑↑G2 ↑↓↑G3 ↑↓↓↓↑L2 ↑↓↓ U型開槽PIFA天線 。 U型開槽天線通過開槽，同樣改變了原先的電流路徑，形成兩個(gè)相對獨(dú)立的電流回路，從而實(shí)現(xiàn)PIFA天線的雙頻工作。在U形開槽，長度L、寬度W的矩形金屬片作為輻射元1，產(chǎn)生低頻諧振頻率；長度為L寬度為W2的矩形金屬片作為輻射元2，產(chǎn)生高頻諧振頻率。在這種開槽方式下