天线设计基础.docx

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天线设计基础

手机天线设计基础

1.天线基本知识

2.网络分析仪，暗室和CMU200的使用

3.研发流程图

4.新到手机的处理

5.治具的制作

6.天线的调试（以PHS为例）

7.数据报告和承认书

8.线圈的打样和承认

9.试生产

1.天线基本知识

1.1天线的定义：

引用国际上官方的定义如下：

TheofficialIEEEdefinitionofanantennafollowsthisconcept:

Thatpartofatransmittingorreceivingsystemthatisdesignedtoradiateorreceiveelectromagneticwaves。

也就是说：

天线就是发射或接收系统中设计用来辐射或接收电磁波的那部分。

1.2天线的分类：

按外观分类：

外置式和内置式。

按结构分类：

固定式（内外模），组装式（TOP+主体），TOP+内模等。

按频段分类：

450MHz，CDMA（824-849MHz），GSM（880-960MHz），DCS（1710-1880MHz），PHS（1895-1918MHz），PCS（1850-1990MHz），3G（1920-2170MHz），Bluetooth（2450MHz）。

1.3天线的频段

当今移动通信系统主要有如下的工作频段，请见下表：

System

Transmit（MHz）

Receive（MHz）

BW（MHz）

AMPS（CDMA）

824

849

869

894

8%

SMR

806

821

851

866

7%

IDEN

806

824

851

870

8%

TACS

890

905

935

950

7%

ETACS

871

904

916

949

9%

GSM

890

915

935

960

8%

EGSM

880

915

925

960

9%

PAGING

895

901

920

945

5%

GPS

1227

1575

IEIDUM

1616

1626

1%

DCS

1710

1785

1805

1880

9%

PHS

1895

1918

1%

PCS

1850

1930

1930

1990

7%

3G（WCDMA）

1920

1980

2110

2170

13%

BLUETOOTH

2400

2485

3%

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义----

一种是指，在驻波比VSWR≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；

一种是指，天线增益下降3dB范围内的频带宽度。

在移动通信系统中，通常是按照前一种定义的。

具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比VSWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。

一般来说，在工作频带宽度内的各个频点上，天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

1.4天线的性能参数

目前天线的测试参数主要有：

反射损耗（returnloss），驻波（VSWR），

增益（Gain），Smithchart，灵敏度，效率，SAR。

而我公司目前能提供的有反射损耗，驻波，增益，smithchart和灵敏度。

1.4.1反射损耗

当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只有向天线方向行进的波。

这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

RL=10log（Preturn/Pin）

1.4.2驻波

在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。

在入射波和反射波

相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；而在入射波

反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin，形成波节。

其他各

点的振幅值则介于波腹和波节之间。

这种合成波成为行驻波。

VSWR=Vmax/Vmin

VSWR越大，反射越大，匹配越差。

反射损耗和驻波的换算关系如下：

RL=20log[（VSWR-1）/（VSWR+1）]

1.4.3增益

增益是指：

在输入功率相等的情况下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的功率密度之比。

它定量的描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

通常计算天线的最大增益。

天线的增益一般分为E面和H面，E面指的是天线的电场面，H面指的是天线的磁场面。

下图是对称振子的立体辐射图和E面和H面的增益图。

半波振子的增益为G=2.15dBi

若是以半波振子为参照，则增益的单位为dBd，半波振子的增益为0dBd。

1.4.4Smithchart

Smithchart是表征微波器件的阻抗特性的工具。

它适用于任何特性阻抗的系统，通常的系统特性阻抗为Z0=50Ω或Z0=75Ω。

Smithchart通常为归一化的表达方式。

即Z=ZL/Z0

如下所示为Smithchart的电感和电抗的曲线。

1.4.5天线效率（RadiationEfficiency）

天线的辐射效率是天线的辐射功率与天线的输入功率的比值。

Er=Pr/Pin=Rr/RA

其中Rr为天线的辐射阻抗，RA为天线的总的阻抗。

1.4.6灵敏度

手机天线最重要的性能指标是灵敏度，它表示手机能接收到的最小功率，一般手机的灵敏度标准为-102。

1.5天线匹配网络（AntennaMatchingNetwork）

什么叫匹配？

简单的说，馈线终端所接负载阻抗ZL，等于馈线特性阻抗Z0，称为馈线终端是匹配连接的。

匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载所产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。

如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围较宽。

反之，则较窄。

在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。

在手机天线的实际中经常遇到天线受手机翻盖或天线周围金属器件的影响。

天线的匹配网络一般采用L型或Л型电路，最理想的是天线自匹配。

1.6天线阻抗（Impedance）

1.7天线的性能要求

手机天线要达到一定的性能要求，客户才会接收。

一般的性能标准如下：

外置式

频段

参数

SPEC

PHS

R.L

≤-15dB

VSWR

≤1.5

Gain

≈1.5dBi

GSM&DCS

R.L

≤-10dB

VSWR

≤2.0

Gain

≈0dBi

GSM&DCS&PCS

R.L

≤-8dB

VSWR

≤2.5

Gain

≈-0.5dBi

CDMA&GSM&DCS&PCS

R.L

≤-8dB

VSWR

≤2.5

Gain

≈-1.0dBi

2.网络分析仪，暗室和CMU200的使用

2.1网络分析仪

网络分析仪是调试手机天线最重要，也是最常用的设备，它主要提供反射损耗（RL），驻波VSWR和Smithchart的数据。

2.1.1网络分析仪上常用功能键的作用如下：

Preset：

返回网络分析仪初始状态，显示频率为0.03-3000MHz。

Save/recall：

调/存测试程序，如先按save/recall，再按savestate，是把当前状态存储成一个新文件；先按save/recall，再按re-savestate，是把当前状态覆盖存储到当前程序；先按save/recall，再按recallstate，为调出所选程序；先按save/recall，再按savefileformats，最后按savefile，是把当前的测试数据以jpg格式保存到磁盘。

Copy：

打印程序数据，先按copy，再按printmonochrome，即可。

Start：

设置显示屏上开始频点，如按start，在数字键上输入800，再按下右上角的m/u，表示设定显示屏上频率的起点为800MHz。

Stop：

设置显示屏上最后频点，如按stop，在数字键上输入2000，再按下右上角的m/u，表示设定显示屏上频率的终点为2000MHz。

Center：

设置显示屏上频带的中心频点，如按center，在数字键上输入1500，再按下右上角的m/u，表示设定显示屏上频率的中心频点为1500MHz。

Span：

设置显示屏上的频带宽度，如按Span，在数字键上输入2000，再按下右上角的m/u，表示设定显示屏上频率宽度为2000MHz。

Chan1：

表示所选为第一端口。

Chan2：

表示所选为第二端口。

Meas：

可选择S11，S12，S21，S22四个信道。

Format：

性能参数开启键，按下后选左侧竖排的八个键选参数键，常用的有3个，logmag为回损，smithchart显示阻抗，用来调整匹配，SWR为驻波。

Scaleref：

单位参数开启键，按下后选左侧竖排的八个键选参数键，常用的有2个，Scale/div选每格的单位数，如在数据显示状态为回损的情况下，按下此键，再按5，接着按下最右角的第四个键x1，表示当前显示屏上每格代表5dB；electricaldelay为电延迟，用来归零用。

Display：

状态参数开启键，按下后选左侧竖排的八个键选参数键，常用的有4个，data为当前性能数据健，memory为记忆状态性能数据键，dataandmemery为同时显示当前和记忆两种状态数据键，data->memory为把当前状态记忆形成记忆状态的参数键。

Cal：

归零校准键，详细适用方法见归零校准方法。

Marker：

作用是设定频点。

如按下此键后，左侧竖排八个参数键会显示1-5几个可设置的频点，输入800，再按下m/u，表示设置频点一在800MHz。

在左侧竖排的八个键除存储文件的两个键外，还有最下端的两个键常用：

Fileutilities：

修改文件名和删除文件的开启键。

按下后，选renamefile，可以为文件改名，每选一个字母，按一次selectletter，最后按下done，改名成功；deletefile和deleteallfiles为删除文件，前者删除所选文件，后者删除全部文件，在选择以前要慎重，以免误删。

Selectdisk：

选择文件存储的盘，internalmemory为网络分析仪本身的硬盘，internaldisk为软盘。

2.1.2归零校准过程

天线调试需要在极精确的状态下进行，把多余的干扰因素排除，所以在调试前先归零校准，保存成校准程序，后续治具在该程序下调试。

下面以双频GSM&DCS为例介绍归零校准过程：

1.分别按下local和preset，使仪器处于初始状态。

2.按start键，数字键上选800，再按m/u，表示设定开始频点为800MHz。

3.按stop键，数字键上选2000，再按m/u，表示设定终止频点为2000MHz。

4.按menu键，在左侧竖排八个键中选numberofpoin