GSM手机外置天线的原理及制做

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摘 要

 手机在人们的生活中起着越来越重要的作用,而手机在发送接收信号时性能的好坏,一定成度上取决于射频电路天线部分的设计。 介绍了GSM频段手机外置天线的原理和电气特性要求,及依据天线工作原理工厂对手机天线的检验方法。

 1  GSM手机外置天线的原理

 手机天线对整个手机来说是一颗机构电子料,他的外观同工业设计有关系。这里着重讲述 手机外置(exposed)天线电气方面的原理及制做。

 当电能量加到并联谐振网络上时,并联谐振网络就会电能量,且频率F与电磁波频率一致时,产生电能量相对最大。手机天线就是运用这样的电气原理,为了更好地发送和接收电磁波,将并联谐振回路中的电容两个板极打开,以电感为振子。电容性以分布容性实现,因中国的全球通波段和欧洲一致,EGSM(低发高收880~915 MHz及925~960 MHz)加DCS(发1 710~1 785 MHz,收1805~1 885 MHz),总对天线来说要求DualBand(880~960 MHz,1 710~1 880 MHz)。故电感为一个有两种疏密度的线圈,以满足两波段频率发送接收的需要。

                                   
      
若是做三频天线,因PCS 频段与DCS频段接近,只需在DCS频段上扩展就可以。调节手机天线电气性能时,需要一只最终定型的手机(所有其他部件不再会改变)制作手机天线测试工具,在其天线连接的部位引1根钢管线出来安装SMA头。通过接校准过单端口S11参数的矢量网络分析仪Aginlent8753来显示天线在两个频段的S11特性,应该在有用频段内小于-10 dB, 测试时周围不应该有金属反射面,有些厂商EGSM频段做不到小于-10 dB,那最低要求也要做到小于-8 dB。

 若满足不了S11特性,就要通过改变线圈的长度和疏密度及手机内部PCB板匹配网络来满足S11参数特性。参数达标后,将线圈固定并拍照记录下线圈的长度和疏密度,使之可用以大量生产,并记录下匹配网络各被动器件参数用于手机内部PCB板匹配网络制作。若是翻盖手机,S11在闭合和打开时都满足所测标准,主要考察打开时的S11。S11与VSWR有对应换算关系。调好S11后,还要测其增益与方向性,这就要求在3D或2Dchamber里测试,绘出图形,再换算成理论要求平均增益, 接近于0 dB。但实际做不到,一般要求EGSM频段不小于-1 dB,DCS频段不小于-2 dB。内置天线更低为-4 dB,另外SAR测试也要达标,这要求在专用的SAR实验室测试(实验室必须具有国际认证资格)目前国家并没有做强制要求。

  因为要做到电气性能达标,线圈必须大于一定长度,所以天线外露出机壳的部分必须大于16.4 mm,但是把线圈缩入机壳内的除外。除装配合格外,手机外置天线要做落甩实验,直板机从高度为1.5 m落下,折叠机为1.2 m。经落甩后机构电气性能都不能改变。

 2  外置天线参数检验方法

手机整机厂商检验手机外置天线产品参数是否合格的简便方法:

(1)频率范围(frequency range)用校正过单端口S11的网络分析测S11小于 -1 0 dB的范围涵盖所需频段为合格。

(2)阻抗(impedance)用较正后的网络分析仪测阻抗密斯圆图上,(0,0)是匹配点(50 Ω)。

(3)回波损耗(return lose)测量方法与频率的测量相同,带内回损-10 dB。

(4)电压驻波比(VSWR)用网络分析仪测,先较正单端口S11,按Format 后测SWR。

(5)增益(gain)需在隔离度优于-80 dB的屏蔽室(chamber)中进行测量。在手机以天线连接到PCB接口处引一个RF cable出来,加信号发时,用标准天线测待测天线发射出来的功率(近场测试)。所得测试及功率除以加到天线到PCB接口处信号的功率即为增益。

(6)额定功率(power rating)需要在隔离度优于-80 dB的屏蔽中测量。取手机一部装上SIM卡和电池,开机使手机处于发射状态,用标准天线作近场测量。测出的功率为额定功率。

(7)极化方向(polarization) 可用垂直极化(vertical polarization)标准天线测量。如果被测天线是水平极化(horizontal polarization),那垂直标准极化天线几乎收不到信号。

3  结语

 现在人们为了手机外壳的简约美观而去掉外置式天线,因此手机天线向内置式发展,但内置天线增益较低,造成手机收发性能不好,在基站信号较弱的地方容易断话。故手机外置式天线在手机业中仍占有一席之地,研究并做好、做小手机外置式天线仍是市场的需求。