中心议题:
* 苹果的双天线设计
* 手机天线的一般性介绍
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苹果iPhone 4S双天线设计
北京时间10月9日下午消息,美国科技网站PCMag.com周六报道,天线行业一位知名专家周三表示,苹果iPhone 4S带有两个天线,应会消除以前版本中因用户紧握手机而造成的通话或数据传输中断问题。
在iPhone发布会上,苹果高管仅仅用了一句话来谈到这个问题,指出iPhone 4S机身外配置有双天线,相互之间可以进行智能的信号切换,从而保证手机传输和接收数据的能力,并防止通话中断。
AntennaSys的天线设计师和顾问史宾塞· 韦伯(Spencer Webb) 看好这一设计,认为这将结束iPhone手机面临的“天线门”事件。韦伯去年的测试表明,iPhone 4手机存在设计缺陷,当用户紧握机身时,将导致手机数据连接的上传和下载速度大幅减缓,这在AT&T销售的iPhone 4手机上得到了验证。
韦伯表示,iPhone 4S在手机顶部和底部各配置了天线,用以接收和传输数据,这应会解决此前所面临的天线问题。他表示,双天线改善了多路径问题,可以增强信号。但如果用户双 手水平握紧手机,发送短信或输入相关信息,则仍可能阻塞天线信号。不过韦伯表示,这不足为奇,其他手机都存在这样的问题。
韦伯称,现在唯一的问题是美国联邦通讯委员会(FCC)如何评估iPhone 4S手机的辐射吸引率。虽然手机辐射与患癌之间并没有明确的联系,但旧金山等城市已通过了降低手机辐射风险的法律。
韦伯表示,由于 iPhone 4S配置了双天线,它不确定FCC会对手机中的哪个天线进行从测试。不过以前困扰iPhone 4手机的通话和数据传输中断现象应会消除。
手机天线按位置可分为:内置外置,按朝向可分为:竖插和侧插。天线需要一个空间区域,保证它发射和接收的性能:一般面积最少400平方mm以上,高度 4.5mm以上,即实际要求的是净空间体积尽量大,天线性能越好。具体需要根据外观和附近的器件等等评估。
一般言之,有两种天线可供选择:平衡天线和不平衡天线。平衡天线是独立工作的,与周围的环境无关。而不平衡天线必须接地。不平衡天线产生电流流到地,而 且,在总的辐射功率中,包括这些电流所产生的功率。汽车上经常使用的单极天线就是一个很好的例子,它的车身就是地。
天线的性能也与它的尺寸大小有关。天线的尺寸是用波长来表示的。不平衡天线的地是有效尺寸的一部分,因此,实际的天线尺寸可以做得更小些。移动电话的天线 是不平衡天线的一个实例。它们的地是在手机里的金属结构,一般就是印刷电路板和它四周表面镀有金属材料的部件,这就是我们常说的印刷电路板总成。在手机里 往往使用不平衡天线,这是因为它的尺寸比较小。对于低频带手机而言,例如GSM900手机和CDMA800手机,在用波长表示时,手机里能留给天线的空间 狭小。于是,在这么狭小的空间里装一个高效率的平衡天线,是不可能的,所以一定要用不平衡天线。
对于频率较高的手机来说,位置对天线的限制就少得多了。例如,GSM1800的波长是GSM900的一半,因此,能给天线留出的空间也就更大些。在频带较 宽的手机中可以使用平衡天线。最近,WCDMA手机的内置天线和GPS的外置天线都用了平衡天线。这么做的好处是:天线不会产生大电流在手机上流过。这就 是说,采用平衡天线后,天线的设计和手机的设计,关系就不那么大。然而,问题是:大部分手机都必须能够同时用于高频带和低频带。而要满足要求的,只要把高 频天线结合到低频天线里,把他们都做成不平衡天线就可以了。
对手机天线的设计优先须考虑的是:
1.天线的种类
在移动电话中使用过许多种天线。大致上可以把它们分为两类。第一类天线,和单极天线非常相似。第二类天线,例如,倒置F型平面天线(PIFA),它装在地 线上面。由于这种天线使用印刷电路板上面的空间,因而,这类天线用得最普遍。混合绝缘体天线就是把绝缘体天线和PIFA结合在一起,它和PIFA一样,装 在接地面的上方时,能够工作(图1)。
2.天线的位置
如果你的手把天线挡住时,你发会现手机的性能会迅速下降。相邻的元器件一般在很大程度上是决定产品性能的关键。天线会在任何紧挨着天线的导体里感应电流。
手机里的导体分为两种。第一种是印刷电路板总成,它包括了印刷电路板和它的屏蔽。这些互相连接的导体形成一个大导体,构成一个能改善天线性能的地。第二种 导体由更小的分立元件组成,他们通过像导线和柔性印刷电路板(FPCB)这些连接件连接到印刷电路板上。应当避免在这些元件上产生激励电流,因为元件或者 关联电路会有能量损失。
3.各部件间的连接方法
需要用许多导线的内部连接通常用FPCB来完成的。当把FPCB放到天线附近时,我们就要特别小心,因为FPCB和天线二者之间的耦合,可能会影响天线的 性能。
手机的电池会对天线的性能产生巨大的影响。电池会降低天线的谐振频率,同时还会降低它的效率。因此,最好的方法是:
●电池应尽可能放在远离天线的位置(建议最小距离为5mm)。
●使用15pF至33pF的并联电容器,让电池和控制电路在射频时接地。
●由于金属弹簧夹是造成天线损失的一个因素,因此要使用塑料电池夹。
在大部分的手机中,扬声器是安放在印刷电路板上,与天线相对的另一边,这不会带来任何实际的问题。然而,在许多新的超薄型手机中,为了节省原本由扬声器所 占用的印刷电路板的空间,把扬声器移到了天线那里。如果耦合到扬声器上,天线的效率就会明显下降。
在这种情况下,最好是用一个非常短的弹簧片来连接扬声器,避免使用活动的导线。由于扬声器紧挨着天线,在设计的早期,天线设计师就应该拿到扬声器的样品, 这点非常重要。如果无法避免使用活动的导线,那么,就应该在扬声器的两条连接导线中串联电感器作为保护。表面安装电感器一般会防止出现射频信号耦合。要给 串联电感器留下焊盘。
4.手机的EMI
射频屏蔽盒或者电磁干扰(EMI)涂层一般能够将手机的射频电路屏蔽起来。如果使用电磁干扰涂层,就要确保它涂层在印刷电路板上形成一个封闭的空间。如果 电磁干扰屏蔽盒有一边是开放的,他们会产生空腔,而且,天线有可能会耦合进去。最后,在设计原型机的过程中,电磁干扰屏蔽涂层通常是用手工涂上的。由于经 手工涂上电磁干扰涂层的电话不是完全一样的,因此,不能用来对天线进行比较。
5.天线所占用的空间
手机天线所占用的空间大小是一个非常重要的参数。大家知道,天线的性能和它的体积大小有关。然而,天线周围的环境必须与之协调。
大多数天线设计师依靠的是他们的经验。要做出一个正确的估计,需要了解以下几项:
●天线必须覆盖的频段;
●每个频段要求达到的性能;
●手机的外形尺寸;
●在安装天线的空间还有什么其它零部件;
●印刷电路板总成的长度和宽度。
一个简便的办法是:如果天线要覆盖更多的频段,那么它就需要体积更大的空间。如果天线需要同时覆盖两个低频段,它的尺寸显然会比只覆盖一个频段的天线大得 多。
地线的尺寸大小会影响天线的性能。对于同样的天线,印刷电路板总成的尺寸会把它的频带宽度改变一倍。天线设计师必须知道地线的尺寸大小,由此,来估算天线 的尺寸。一般来说,对天线而言,是为了在低频带时得到优良的性能,最适宜的长度是130mm,而最适宜的宽度是40mm左右。
就PIFA和混合绝缘体天线的外形尺寸而言,最重要的是它的厚度,而它的长和宽就比较不重要。大部分的手机使用的是PIFA,但是,还有一小部分手机使用 了倒置F型平面天线,在他们的下面没有地线。正因为他们更像是单极天线,所以无需遵守这个规则,但是其他的外形尺寸同样也是很重要的。