无线通信设备上内置天线设计

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         多频段天线设计面临的挑战

近年来,移动通信领域的技术进步,以及移动电话从商务工具向手持设备的转变促使制造商不断寻找集成日益复杂的天线的新方法。 

         移动电话最初只能工作于单一频率。在欧洲和亚洲采用的通常是欧洲GSM委员会规定的900MHz或1800MHz两个频率中的一个。然而,开发和制造同时支持两个频率的手机所带来的规模经济效益,以及漫游功能为网络运营商带来的可观的利润,共同导致了可同时支持两个频率的双频GSM手机的诞生。由于在相当分散的美国移动电话市场上缺少统一的标准,1900MHz的GSM频率在美国的应用启动很慢。然而,随着运营商开始看到采用统一技术的全球漫游能够带来巨大的利益,最近几个月来美国GSM网络进行了很大的努力以扩展覆盖整个美国。虽然许多新的移动电话仍采用双频方式,但在未来12-18个月内,三频手机将逐渐成为事实上的GSM标准,即单个手机可支持目前世界上使用的所有三种GSM频率。最近宣布的第四个主要GSM频率允许某些运营商从其它技术过渡到GSM,但这会进一步使手机制造商和天线供应商面临的情况复杂化,如果他们希望单个手机能够支持所有GSM频率的话。

         随着3G网络计划于2002年下半年正式推出,设计与现有技术和频率后向兼容的3G手机所带来的更多挑战已迫在眉睫。更重要的是,除了与移动电话网络通信以外,未来的移动电话还必须能够与许多其它设备和网络进行通信,而它们采用的技术包括蓝牙、IEEE
802.11b (无线LAN)和GPS等,这进一步对下一代通信设备(包括PDA、网络产品、新型因特网家电和众多其它设备)的天线设计提出了更多要求。

内置天线设计

在移动电话设计中,外置天线逐渐被内置式天线所替代。最初有关内置天线性能的担心现在大部分都不存在了。事实证明,就天线效率这一对移动应用来说最关键的电参数来说,设计良好的内置天线可以提供与外置天线同样的性能。消费者对更时尚外观的要求进一步促使手机制造商将天线集成在设备内部。SAR(比吸收率)此前曾被认为是内置天线手机的最大问题。然而,测试结果表明,在采用内置天线的移动电话中可以达到相当好的SAR性能。与外置式天线相比,内置天线具有同样的性能、更好的外观特性和更为坚固,因此从外置向内置式天线的转变已成为不可逆转的趋势。

天线性能标准

采用内置天线的主要设备类型,几乎所有的都采用了PIFA(平面反转F天线)结构。此类天线的性能主要包括以下方面:

   ● 物理尺寸

   ● 电学设计质量

   ● 电介质衬底及外壳的射频(RF)材料特点(介电常数和损耗角正切值)

   ● 封装和整个设备的设计

       对系统设计人员来说,在产品设计过程的早期充分理解不同内置天线技术的特点和功能是非常重要的。对天线尺寸的过度乐观的假设会导致最后不得不在封装和天线性能间进行折衷。

       多数无线手持设备的内置天线位于系统地线层的上方并采用PIFA结构。移动电话PIFA的一个关键物理参数是辐射器高出地线层的高度。目前多数商品化解决方案都采用7mm至9mm的高度。然而,需要指出的是智能封装提供了使这一高度最小化而同时又可保持天线性能的机会(这种应用的一个例子是单面电路板,虽然在一些具有想象力的设计中还可以采用更多的方法)。

内置天线制造技术

未来所面临的挑战是在紧凑的成本合理的封装内集成下一代设计所需要的日益增强的功能和带宽。目前无线手持设备内置天线通常是采用冲压金属设计,或采用两次注料注压选择镀层塑料结构。

       冲压金属天线的优点提供了一个成本效率相对较高的解决方案。虽然到PCB的金属触点位置偏差是一个挑战,但这种方法还是可在天线中集成与PCB接触的弹簧。进一步,冲压金属天线可达到的3D形状是相当有限的,因此手机壳内的物理空间并不总是能得到最优化的使用。

       由于冲压金属天线的限制,一些制造商选用镀层塑料天线,采用两次注料模压方法和后续的无电镀工艺(也称为MID器件,模制互连器件)。这种两次注料注压模制技术的优点是可以制造很复杂的3-D形状,从而使手机制造商可更好地利用移动电话壳内的空间。然而,这种镀层塑料天线的不利之处是需要相对复杂的模具。天线开发是一个不断反复的过程,在手机的开发过程中,为了抵消机械方面的变化,或其它电子元件的位置变化,需要对天线进行精细的调整。不幸的是,改变两次注料注压模具是一个复杂耗时且成本高昂的过程。而且,在生产过程中,这种选择镀层塑料天线采用了非常慢的无电镀(化学镀)工艺,比传统的电解电镀需要更多的监测和干预。

        手机设计人员梦想的是这样的天线技术:即可以实现复杂的3-D外形,又没有设计、制造和修改两次注料注压模具所具有的困难。

数天内即可制造出原型

Molex公司开发的称为“Plastenna”的一种新技术以一种新的利用塑料镀层方法,既提供了目前其它天线技术所具有的优点,又避免了与注压塑料天线相关的许多缺点。新的PlastennaTM技术所具有的特点包括:

   ● 3-D 造型

   ● 精确的机械容差

   ● 良好的机械刚性

   ● 可快速制造可电气测试的原型(< 2 天)

   ● 简单的、成本合理的生产加工

   ● 可大规模制造

       由于新的PlastennaTM技术与现代原型制作技术兼容,可电气测试部件的快速原型制造可在数天的时间内设计并做出原型和进行电气测试,这为产品的设计阶段带来极大的好处。

       Molex公司在为移动电话业务提供连接器、开关和键盘方面具有多年的经验,是这些产品的主要供应商之一。现在Molex公司又在移动电话应用产品中增加了天线产品,包括灵活电路、冲压金属、陶瓷、MID和PlastennaTM等不同技术的天线产品。