移动通信终端天线设计

微波技术课系列讲座March2003移动通信终端天线设计(1)吴群教授，工学博士Dept.ofElectronics&CommunicationEngineeringHarbinInstituteofTechnologyHarbin150001,P.R.ChinaE-mail:[e-mail].+864516413502微波技术课系列讲座March2003移动通信终端•移动通信终端设备包括：•蓝牙（Bluetooth）–PC–PDA–PC卡–移动电话•无线LAN卡(IEEE802.11b)•无绳电话•RFID卡微波技术课系列讲座March2003手机电路组成AntennaRFSubsystem(Analog)Base-BandSubsystem(Digital)占1/3占2/3微波技术课系列讲座March2003目录•无线移动通信天线•手机天线设计考虑•手机天线类型•外装式手机天线•内置式手机天线•GMS手机天线设计•近场3-D测试天线暗室与设备•天线性能测试•未来手机天线发展趋势•其他和天线有关的文献资料微波技术课系列讲座March2003无线移动通信终端天线微波技术课系列讲座March2003无线移动通信天线•便携式无线通信设备：无绳电话手持机、传呼机、无线MODEM、笔记本电脑用PCMCIA传呼机卡手机•基本特点：这些天线都是位于人体附近安装在设备内（插入笔记本电脑内）使用者手持操作使用位置不固定微波技术课系列讲座March2003无线移动通信天线•便携式无线通信设备对天线要求：体积小、重量轻、具有两个正交极化特性、所有主面的辐射方向图应是准全向的•便携式无线通信设备天线应用要求：带宽要尽可能宽、人体（手）对天线的影响要尽可能小、人体对天线的电磁能量的比吸收率(SAR)应尽可能小。希望能将天线集成到便携通信设备的印制电路板或塑料外壳上。微波技术课系列讲座March2003微波技术课系列讲座March2003手机天线设计考虑•移动环境中天线性能的计算•天线性能的计算•天线的平均有效增益计算•天线设计中的人体辐射安全考虑模拟机7W数字机2W天线结构与形式外置式：¼波长鞭状、¼波长伸缩式（振子螺旋天线组合）、螺旋内藏式：微带缝隙、微带贴片、介质、背腔式、铁氧体式。微波技术课系列讲座March2003手机天线设计考虑微波技术课系列讲座March2003手机天线设计考虑•克服人体对电波吸收和散射引起接收特性的改变；•多信道传播以辐射指向性造成增益下降。•天线要与RF模块连接，要解决阻抗匹配微波技术课系列讲座March2003手机天线设计考虑•手机天线不同于一般固定通信天线，安装于小型机壳内，贴近人体，边移动，边使用。•需解决的关键技术问题–克服人体对电波吸收和散射所引起接收特性的改变–多信道传播以辐射指向性造成增益下降等问题。•对于某些手机天线，采用分集天线。它由两部分构成，外部天线为伸缩的鞭状天线，收藏在机体内，收发兼用；内藏天线为平面天线，用作接收专用天线。利用这两种天线，在接收时可供选择分集。•为了满足超小型化手机的需要，最近将内藏天线研制成平板状的反向F天线以及用微带贴片做成的小型天线，除体积进一步缩小外，并具有高增益和大宽带等优点，它是制在介质基板或PCB上，通过合理形状设计，求得特性最佳化。•　　微波技术课系列讲座March2003手机天线主要技术指标•频率•增益•阻抗•驻波比•吸收率微波技术课系列讲座March2003手机天线技术指标微波技术课系列讲座March2003外置式手机天线微波技术课系列讲座March2003外置式天线特点外置式天线(多为伸缩式)如单极天线和螺旋天线在手机上广泛应用•外装式天线缺点：–不能集成到印制电路板或设备外壳上，增加总尺寸(尤其是伸缩式)；–易于折断和弯曲；–天线比吸收率（SAR值）高，不易屏蔽，人体对天线的性能影响较大；–仅有一种极化特性，在人体附近场性能较差；–螺旋天线加工不易达到精确控制和重复性，需要匹配电路，使成本和损耗都增加；–可伸缩的外装式天线还存在天线可伸缩次数的物理极限；–伸缩天线在处于某一中间位置时，天线在电气上并未与电话机相连；–伸缩天线外装式天线通常要求一个内装分集天线来解决衰减问题；–外装式天线通过隔离接收与发射频段来取消双工器。结论：设计一个高效率、性能完善的双频天线不容易微波技术课系列讲座March2003外置式手机线天线的评价•右图是垂直放置的手机螺旋天线在自由空间的水平和垂直极化面上的辐射方向图•可以看出，两组极化面的辐射图不同•在水平面，垂直极化波效率近似为70%，而水平极化波低于5%•在垂直面，水平极化图更差，而垂直极化图出现两个零点微波技术课系列讲座March2003外置式线天线的评价•移动通信基站发射天线都是采用垂直极化，当手机垂直放于自由空间中时可从其水平面上得到最高的接收灵敏度，于是可用来评价手机天线的性能。•通常外装式手机辐射方向图也通过同时测量有无人体和大脑影响的效应。考虑到人体效应，天线的效率约为10%，也就是说，当手机天线靠近人体使用时的整个效率会大大降低。微波技术课系列讲座March2003外置式线天线的评价•能量的损耗主要是由于人脑和手对电磁波的吸收，以及天线在人体附近所引起的失配。•但要精确测量这两个因素所造成的功率损耗比很困难。•通常是采用测量天线在自由空间的回波损耗和在人体旁回波损耗的比值。•天线在人体旁失配所引起的功率损耗确定为总功率损耗的20%。•在人体附近有近80%总功率损耗是被人手和大脑所吸收掉。微波技术课系列讲座March2003外置式线天线的评价•尽管如此，所测得的自由空间方向图和由人体吸收之后的方向图有很大差异：随着人的不同，人体和人体之间也不同，他们对天线的效应也不同。使用者手握电话方式和靠近耳朵的方式也不同，因此缺乏测量的重复性。结论：应在使用者使用中或使用人体模型来模拟人脑和手来取代人才能正确评价天线性能注：目前实际上对于大多数天线公司都不给出人体模型的测试结果，而是利用测量自由空间的水平面上垂直极化波灵敏度来模糊表示微波技术课系列讲座March2003内置式手机天线微波技术课系列讲座March2003内置集成微带天线的特点•内置微带天线可集成到印制电路板和外壳上，在手机内部，不额外增加设备尺寸；•内置微带天线有机械刚性，不易被损坏；•采用屏蔽技术来屏蔽天线，SAR值非常小；•天线受人体的影响相对要小；•微带天线的输入阻抗容易做到50Ω，不需要匹配电路或非平衡转换器，容易实现批量生产，重复性好；•微带天线通过耦合方式馈电，在隔离接收与发射频段方面也相当简便，可以消除双工器；•若采用E场和H场元件分集技术，则不必附加独立的分集天线；•设计参数通过最优化手段实现体积小、成本低，并能增加带宽，同时提高对垂直和水平极化波的接收灵敏度，实现更好的全向辐射特性；•容易设计出双频段的内置集成微带天线。结论：减小人体和天线相互作用影响，微带天线是内置天线应用的最佳选择。微波技术课系列讲座March2003内置集成微带天线的设计参数•最明显的技术是将传统的半波长微带天线尺寸减少50%，即将零位等效面短路。采用局部短路微带天线可大大减小已缩短的1／4波长天线的尺寸。在这种情况中，仅对零等效面一部分短路，而不是全部主面短路。•最重的参数之一是微带天线的接地面尺寸。缩短接地面尺寸可减小天线尺寸，改善天线的全向辐射特性，也可降低天线邻近人体效应。但是，缩短常规微带天线几何边缘接地面会降低天线的效率，需采用其他电路结构，如双C型贴片微带天线。•增加厚度或采用平面／非平面层状无源器件可改善微带天线带宽，但会使天线尺寸增大。驱动单元和天线无源单元的长和宽通常在一个半波长到1／4波长范围内。微波技术课系列讲座March2003内置集成微带天线的设计实例•内装的小型宽带微带天线结构是将窄小的驱动单元与几何形状不同的平面层状无源器件相结合。通过对这种天线的几何结构的配置和组合进行设计和最优化，可将其装置手机内部，如图所示。•这种天线的电介质常数为6，内置天线尺寸15×15×1.5(mm)，驱动单元为带三角形孔径的C型贴片，无源单元是带矩形孔径的C型贴片微波技术课系列讲座March2003蜂窝移动电话内置小型微带天线微波技术课系列讲座March2003内置集成微带天线测试结果—天线在主面的垂直和水平极化方向图•方向图是准全向的，天线对垂直和水平极化波的灵敏度均高。•通过外场实验、微波暗室测量以及邻近人体和自由空间测量，证明了这种天线与人体之间的相互影响很小，优越于外装式天线。微波技术课系列讲座March2003PCMCIA卡式天线•该类型微带天线还被用来集成PCMCIA卡、无线MODEM和LAN。•PCMCIA卡尺寸形同信用卡，15•15•1mm微波技术课系列讲座March2003GMS手机天线设计微波技术课系列讲座March2003GMS手机天线设计•系统设计，而不是孤立的接收/发射终端，即根据电波传播条件设计，具有一定的极化控制方向图分集控制能力。•方向图要与区域要求一致，并允许天线附近有障碍物存在。•要考虑人手和身体的影响，以及可能存在的干扰。•机械性能可靠，尽可能减少可动部件和开关部件。•采用新技术，开发新材料。微波技术课系列讲座March2003GMS手机天线设计•系统设计，而不是孤立的接收/发射终端，即根据电波传播条件设计，具有一定的极化控制方向图分集控制能力。•方向图要与区域要求一致，并允许天线附近有障碍物存在。•要考虑人手和身体的影响，以及可能存在的干扰。•机械性能可靠，尽可能减少可动部件和开关部件。•采用新技术，开发新材料。微波技术课系列讲座March2003GSM双频外置螺旋天线设计—1999年6月完成技术要求工作频段：•1．GSM900波段：890~960MHz•2．DCS1800波段：1710~1890MHz•外形尺寸：•长25mm，外径6mm；•电性能指标：•①增益8dB；•②驻波比小于1.5。•微波技术课系列讲座March2003GSM双频外置螺旋天线设计考虑•整个天线的辐射元件由两部分组成–一是两种螺距曲线圈–二是连接器。•由于结构限定，连接器的长度为12.5mm。•设计中要考虑连接器•注意输入阻抗的匹配•传统的双频天线（在开发此天线当时）是：（GSM频段辐射元件为1/4波长螺旋线，而DCS频段辐射元件为1/4波长鞭状天线，两者组装在同一连接器上）微波技术课系列讲座March2003测试结果----使用状态中回波损耗、阻抗特性和VSWR微波技术课系列讲座March2003测试结果----自由空间状态回波损耗、阻抗特性和VSWR微波技术课系列讲座March2003螺旋天线的归一化方向图（a）900MHZ频段(b)1800MHZ频段微波技术课系列讲座March2003GSM双频外置螺旋天线设计—1999年6月完成技术要求工作频段：•1．GSM900波段：890~960MHz•2．DCS1800波段：1710~1890MHz•外形尺寸：•长25mm，外径6mm；•电性能指标：•①增益8dB；•②驻波比小于1.5。•微波技术课系列讲座March2003GSM双频外置螺旋天线设计考虑•整个天线的辐射元件由两部分组成–一是两种螺距曲线圈–二是连接器。•由于结构限定，连接器的长度为12.5mm。•设计中要考虑连接器•注意输入阻抗的匹配•传统的双频天线（在开发此天线当时）是：（GSM频段辐射元件为1/4波长螺旋线，而DCS频段辐射元件为1/4波长鞭状天线，两者组装在同一连接器上）微波技术课系列讲座March2003测试结果----使用状态中回波损耗、阻抗特性和VSWR微波技术课系列讲座March2003测试结果----自由空间状态回波损耗、阻抗特性和VSWR微波技术课系列讲座March2003螺旋天线的归一化方向图（a）900MHZ频段(b)1800MHZ频段微波技术课系列讲座March2003结论•在自由空间状态下，两个频带的回波损耗都优于-10dB•在使用状态下，两个频带的回波损耗都优小于-