手机天线在智能手机中的一些应用

和国内大部分从事2G手机设计的工程师谈起手机天线设计，他们从来都不认为它是大问题，即使iPhone4在天线上小小跌了一跤之后。然而事实上，作为射频信号进出手机的头/末道关口，天线对整个手机射频性能的影响很大，尤其在智能手机中， 除了基本通信功能需要天线，增加的GPS、WiFi、CMMB、ATV等功能也需要天线配合。而未来在LTE 4G手机中，由于多入多出(MIMO)等技术的使用，也会对天线提出新的要求。这些变化增加了合理安排天线空间、保证天线效率和满足电磁波吸收率(SAR)等要求的难度。相应地，设计师对天线重要性的想法也应该随之改变。

选择合适类型的天线是手机天线设计的第一关。目前，使用外置天线的手机越来越少，内置天线已成为手机天线的主流。内置天线体积小， 可以安装多个， 很方便组成天线阵列， 这既可满足智能手机的多天线需求， 通过天线阵列也可以实现手机天线的智能化。使用最多的内置天线有两种，分别是皮法天线(PIFA)和内置单级天线(Monopole)。PIFA天线由微带线演变而来，由于脱胎基于微带线，因此带宽较窄，PIFA天线增益偏低，但它的抗干扰能力强，SAR性能也不错。单极天线的特点正相反，效率更高，但抗干扰能力较弱。

天线的体积对天线的性能影响很大，要保证天线的带宽和性能，天线必须满足一定的体积。比如对于PIFA天线，天线的高度和带宽密切相关，而天线的宽度和长度则决定了天线的最低频率。举例来说，PIFA天线如果要能支持G S M / D C S双频， 其体积需要做到6 0 0mm×7~8mm；如果要支持GSM/DCS/PCS三频的话， 体积则需要达到700mm×7~8mm。相对而言，由于PIFA对天线体积的要求较高，因此不太适合用于超薄机型，但它在除超薄外形外的手机中都可使用。内置单级天线则因为SAR较高，不适合在滑盖、翻盖手机中使用。

选择了合适类型的天线，下一步就是安排好它们的位置。天线性能和地平面的长度密切相关，而天线放置在不同的位置拥有的地平面长度是不同的。莫仕公司(Molex)手机天线事业部经理Ellen Maassen就表示：“天线下面有越多地平面，则天线的性能和带宽就越好。”为了最大限度实现天线的性能，首先要确定天线的大概位置。另外，不同外形的手机使用时接触人体的头和手的位置也不尽相同，越接近人体，SAR就越严重，因此手机外形不同，天线放置的位置也不同。

对直板机来说，手机顶部是最适宜放置天线的位置。直板机型的底部理论上也可以放置天线，但考虑到打电话时人手会覆盖该区域，而且天线过于靠近底部的连接器会和数据线路产生干扰，因此实际操作中不建议这么做。

对于翻盖机来说， 翻盖的顶端不适合放置天线，原因有以下几点：1)厚度薄，会限制天线的体积；2)如果是内外双屏的话，天线的地平面会很小；3）天线会受到显示屏、扬声器以及柔性电路板(FPCB)的干扰；4)该位置在通话时会紧贴用户的头部，这样会带来SAR问题；5)天线原则上要远离转轴。翻盖机中，手机主板所在部分的顶部和底部都可以放置天线。对于滑盖机，和翻盖机类似，滑盖的顶部不适合放置天线；此外，手机主板所在部分的顶部位置也不适合，因为和翻盖机不同，消费者使用滑盖机时，手往往会覆盖该部位。相对而言，在滑盖机中主板所在部分的底部位置最适合放置天线。

在直板机中，电池的位置也会影响天线的性能。如果天线过于靠近电池，辐射效率会显著降低。电池和天线最好间隔10mm距离，虽然在很多机型中很难做到，但至少要间隔5mm。

以上只是谈论了天线在手机中应该放置的大概位置，但若要把天线在手机中的位置安排好，则还有很多原则需要遵守，比如Maassen就强调：“金属元器件例如扬声器不能离天线太近，否则会影响天线的性能。”手机结构工程师在给天线安排空间时遵循的其他原则还有：1)天线要远离摄像头和柔性电路；2)给进入天线所在空间的扬声器线路加上电感；3)天线要尽量远离马达；4)保证天线的合理体积；5)保证主板上天线连接片位(PAD)尽可能小；6)天线连接片位下的任一层PCB都不要接地；7)天线与主板连接的弹片长度尽可能短；8)天线周围不要做导电涂层，比如EMI屏蔽罩；9)在翻盖机型中，尽量缩短连接翻盖的柔性电路的长度。

智能手机、4G LTE手机对天线提出更大挑战。Maassen透漏：“随着2011年第一个4G LTE设备的出现，如果加上NFC和数字电视，一个设备中将有多达七个天线出现。集成这些天线将是一个巨大的挑战，空间是关键的问题。”要应对这样的挑战，除了以上提到的这些普遍技巧原则，也有赖于天线本身制造工艺的进步和突破。过去两年，一种新的技术——激光直接成型 (Laser-Direct-Structuring, LDS)制造技术被越来越多地用于手机尤其是智能手机的天线设计与制造，HTC多款智能手机、黑莓手机以及诺基亚经典智能手机N97都采用了LDS工艺制造的天线。

LDS技术使用激光在复杂三维部件表面上照射成型天线电路，该技术生产的天线性能稳定、一致性好。而且采用LDS技术，天线设计也更容易更改。因为它允许设计者完成成型后在不改变工具的前提下改变其电路。例如，在手机应用中，为改善天线性能经常会做一些修改，采用LDS技术，大量开模的部分可以提前进行，具体的电路可以随时加到整个激光系统之中。而且由于LDS技术可以在一个三维部件表面形成多个天线电路，这对解决多天线需求下的天线空间紧缺问题带来帮助，而且也节省了采用传统技术制造多个天线需要开发多个模具的费用。Maassen表示：“目前双射(Two shot)技术仍然被用于一些高端器件的制造，但无论是Two-s