1、ATENNA 講義講義劉偉劉偉, 2012.02.182 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 天線簡介天線簡介 天線開發流程 天線測試大綱3 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 發射電路輸出的高頻電流，通過饋線輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。發射電路輸出的高頻電流，通過饋線輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。 電磁波到達接收地點以后，由天線接下來，并通過饋線送到接收電路。由此可見，天電磁波到達接收地點以后，由天線接下來，并通過饋線送到接收電路。由此可見，天線是發射和接

2、收電磁波的一個重要的無線電設備，其實就是一個能量轉換器件。天線線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，其實就是一個能量轉換器件。天線是外部空間電磁波是外部空間電磁波/電磁場與內部電路聯系的橋梁和紐帶，沒有天線也就沒有無線通電磁場與內部電路聯系的橋梁和紐帶，沒有天線也就沒有無線通信。信。對于眾多品種的天線，可進行適當的分類：對于眾多品種的天線，可進行適當的分類： 按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等； 按工作頻段分類，可分為短波天線按工作頻段分類，可分為短波天線(330MHz )、超短波天線、超短波天線(30300MHz )、微波

3、、微波天線（天線（ 300MHz-300GHz ）等；）等； 按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等； 按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；導線上有交變電流流動時，就可以發生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形導線上有交變電流流動時，就可以發生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關。狀有關。天線簡介4 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.（a）中，發射機產生射頻電流給一段傳輸線，電場垂直于導線表面，由于傳輸線兩）中，發射機產生射頻電流給一段

4、傳輸線，電場垂直于導線表面，由于傳輸線兩導體間距離很近，電場幾乎全束縛在兩導線間，輻射很弱；導體間距離很近，電場幾乎全束縛在兩導線間，輻射很弱；（b）中，兩根導線逐漸張開，電力線變長，但依然保持垂直于導線表面，輻射效果）中，兩根導線逐漸張開，電力線變長，但依然保持垂直于導線表面，輻射效果不是很理想；不是很理想；（c）中，兩根導線張開垂直于傳輸線，電力線變長到達一定長度，從而允許電力線）中，兩根導線張開垂直于傳輸線，電力線變長到達一定長度，從而允許電力線脫離傳輸線而形成輻射；脫離傳輸線而形成輻射；天線簡介5 2011 Lenovo Confidential. All rights reserve

5、d.特性阻抗特性阻抗： Z0 50ohm由來：由來： 1.損耗比較小（最小時電阻為75ohm，TV cable採用） 2.傳輸功率比較大（最大時電阻為30ohm，PC bus採用）天線簡介6 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.為了使天線實現指定的功能，必然要對它提出一些具體要求，這些要求稱為無線電參為了使天線實現指定的功能，必然要對它提出一些具體要求，這些要求稱為無線電參數，例如駐波比（數，例如駐波比（VSWR）、方向性系數（）、方向性系數（Directivity）、增益（）、增益（Gain）等等。）等等。天線與饋線的連接，最佳情形是天

6、線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。傳輸線的導行波到達天線輸入口，一部分能量被反射回去，一部分繼續傳輸最后通過傳輸線的導行波到達天線輸入口，一部分能量被反射回去，一部分繼續傳輸最后通過天線發射出去。發生反射的原因是由于天線輸入阻抗天線發射出去。發生反射的原因是由于天線輸

7、入阻抗ZL與傳輸線的特性阻抗與傳輸線的特性阻抗Z0不匹不匹配，配， ZL是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線簡介+-V(d)d = ld = 0I(d)IN(d)0ZOZL7 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.反射系數反射系數：反射波電壓（或電流）與入射波電壓（或電流）的比值。由于電壓容易測：反射波電壓（或電流）與入射波電壓（或電流）的比值。由于電壓容易測試，所以一般所指的反射系數都是電壓發射系數，可以表示為試，所以一般所指的反射系數都是電壓發射系數，可以表示為 由公式可以看到，最佳情形是天線

8、輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗（由公式可以看到，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗（50歐歐姆），此時無反射，能量完全給天線。姆），此時無反射，能量完全給天線。 電壓駐波比電壓駐波比：如果：如果ZL不等于不等于Z0，反射系數一定不為，反射系數一定不為0，此時天線輸入端的電壓與電流，此時天線輸入端的電壓與電流均有入射波與反射波的疊加，電壓振幅最大值與振幅最小值記為電壓駐波比均有入射波與反射波的疊加，電壓振幅最大值與振幅最小值記為電壓駐波比VSWR（Voltage Stand Wave Ratio）。）。天線簡介OLOLINZZZZd008 2011 Lenovo Confi

9、dential. All rights reserved.回波損耗回波損耗：由于反射系數既有幅度又有相位，是一個復數，使用起來不太方便，因此：由于反射系數既有幅度又有相位，是一個復數，使用起來不太方便，因此引入了另外一個量，回波損耗（引入了另外一個量，回波損耗（Return Loss）；）；反射系數、電壓駐波比與回波損耗反射系數、電壓駐波比與回波損耗，是衡量天線匹配優劣的三個重要指標，三個參數，是衡量天線匹配優劣的三個重要指標，三個參數間有固定的數值關系（見下圖），使用哪一個都可以。間有固定的數值關系（見下圖），使用哪一個都可以。 天線簡介9 2011 Lenovo Confidential.

10、 All rights reserved.天線發展歷程：天線發展歷程：1、尺寸越來越小；、尺寸越來越小；2、頻率越來越寬；、頻率越來越寬；3、越來越便于設計；、越來越便于設計；4、成本越來越低；、成本越來越低；天線簡介 Di-Pole AntennaMono-Pole Antenna Helix Antenna L Antenna IFA Antenna PIFA Antenna Ceramic Antenna10 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. Dipole Antenna（對稱振子天線）（對稱振子天線）11 2011 Lenov

11、o Confidential. All rights reserved.Mono-Pole Antenna（單級天線）（單級天線）12 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.Helix Antenna（螺旋天線）（螺旋天線）13 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.L Antenna （L型天線）型天線）14 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.IFA Antenna（F型天線）型天線）15 2011 Lenovo Confide

12、ntial. All rights reserved.PIFA Antenna（PIFA天線）天線）16 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.PIFA Antenna（PIFA天線）天線）17 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.Ceramic SMT Antenna（陶瓷天線）（陶瓷天線）18 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 天線簡介 天線開發流程天線開發流程 天線測試大綱19 2011 Lenovo Confident

13、ial. All rights reserved. 首先來看看天線的正面，黑色的是基材，附于銅的表面起保護、絕緣作用，也有白色首先來看看天線的正面，黑色的是基材，附于銅的表面起保護、絕緣作用，也有白色等其他顏色的基材（如下圖）。等其他顏色的基材（如下圖）。 再來看看天線的背面（從上層至下層依次是：再來看看天線的背面（從上層至下層依次是：3M膠、基材、銅、基材），基材將銅膠、基材、銅、基材），基材將銅包裹在里邊。包裹在里邊。 天線開發流程20 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 有些天線是貼在支架上，部分手機結構設計為節省空間，會把一些揚

14、聲器、麥克風等有些天線是貼在支架上，部分手機結構設計為節省空間，會把一些揚聲器、麥克風等部件設計在支架內。也有的天線不使用支架，直接貼在手機殼上。部件設計在支架內。也有的天線不使用支架，直接貼在手機殼上。 支架正面：支架正面： 支架背面：支架背面： 天線開發流程21 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.首先需要明確一點：要有整機才能調試天線。殼體材料、工藝都要先確定，因為這些對天線性能首先需要明確一點：要有整機才能調試天線。殼體材料、工藝都要先確定，因為這些對天線性能影響很大。下圖是一款手機的工藝圖，注明了各零部件所用材質。影響很大。下圖

15、是一款手機的工藝圖，注明了各零部件所用材質。 天線開發流程22 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 天線工程師在開發天線之前需要拿到一部完整的手機、一塊完整的電路板、天線支架，天線工程師在開發天線之前需要拿到一部完整的手機、一塊完整的電路板、天線支架，并且要求與最終出貨的手機材質保持盡可能的一致。并且要求與最終出貨的手機材質保持盡可能的一致。 將銅箔貼在手機支架（如果有支架）或者外殼之上，天線工程師再用小刀刻出各種條形：將銅箔貼在手機支架（如果有支架）或者外殼之上，天線工程師再用小刀刻出各種條形： 將樣品手機裝上帶銅箔的天線，用網絡分析

16、儀進行無源測試，測試性能。性能不理想的將樣品手機裝上帶銅箔的天線，用網絡分析儀進行無源測試，測試性能。性能不理想的話，用刀片將銅箔進行修改，加焊點等，直到無源數據達到理想狀態。話，用刀片將銅箔進行修改，加焊點等，直到無源數據達到理想狀態。 天線開發流程23 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 無源測試怎么測？無源測試怎么測？ 把同軸線的一端焊在主板的饋電點，另一端連接到網絡分析儀上，網絡分析儀要把參考把同軸線的一端焊在主板的饋電點，另一端連接到網絡分析儀上，網絡分析儀要把參考平面校準到平面校準到50歐姆。歐姆。 天線開發流程24 201

17、1 Lenovo Confidential. All rights reserved. 為了確保測試結果的準確性，通常會把手機的零部件（尤其是天線附件的元器件）全部為了確保測試結果的準確性，通常會把手機的零部件（尤其是天線附件的元器件）全部裝上，然后再進行無源測試。裝上，然后再進行無源測試。 天線開發流程25 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.參考網分的無源測試數據，調節天線走線。一般是走線都試了還調不好，才會調主板參考網分的無源測試數據，調節天線走線。一般是走線都試了還調不好，才會調主板PA到饋點的匹到饋點的匹配電路，匹配很多時候只能

18、當微調用。配電路，匹配很多時候只能當微調用。 無源數據達到理想狀態，此時所刻畫出來的銅箔可以進行有源測試了。無源數據達到理想狀態，此時所刻畫出來的銅箔可以進行有源測試了。 天線開發流程26 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 可先用三角錐進行粗略的發射功率、靈敏度測試，再進入暗室進行有源測試。可先用三角錐進行粗略的發射功率、靈敏度測試，再進入暗室進行有源測試。 相對于無源數據而言，測試有源數據要重要的多，因為手機終歸是在整機情況下通話的。相對于無源數據而言，測試有源數據要重要的多，因為手機終歸是在整機情況下通話的。若有源數據出現問題，有

19、時可通過調節整機環境（即不調天線）來進行改善。若有源數據出現問題，有時可通過調節整機環境（即不調天線）來進行改善。 當有源數據達標以后，此時的銅箔就可稱為當有源數據達標以后，此時的銅箔就可稱為“天線手板樣天線手板樣”，可送給天線廠商開模打樣。，可送給天線廠商開模打樣。 天線開發流程27 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved. 天線簡介 天線開發流程 天線測試天線測試大綱28 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.測試設備 微波暗室微波暗室 為什么天線測試要在微波暗室進行，原因有兩點，為什

20、么天線測試要在微波暗室進行，原因有兩點，1、微波暗室可以屏蔽外界的干擾。、微波暗室可以屏蔽外界的干擾。2、微波暗室、微波暗室有吸波材料，所以不會引起電磁散射，從而避免了多徑效應。有吸波材料，所以不會引起電磁散射，從而避免了多徑效應。 天線測試29 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.測試設備 標準的喇叭口天線：標準的喇叭口天線： 標準的喇叭口天線主要是用來收發射頻信號的。他的增益、方向性很好，可以降低對信號源的要求。標準的喇叭口天線主要是用來收發射頻信號的。他的增益、方向性很好，可以降低對信號源的要求。 矢量網絡分析儀：矢量網絡分析儀：

21、矢量網絡分析儀是測量天線和調試天線的最重要的測試工具。一方面它可以用來測試手機天線的駐矢量網絡分析儀是測量天線和調試天線的最重要的測試工具。一方面它可以用來測試手機天線的駐波。另外一方面也是用他來測量手機天線的方向圖（通過波。另外一方面也是用他來測量手機天線的方向圖（通過S21測試）。測試）。 天線測試30 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.測試設備 綜合測試儀綜合測試儀 （CMU200、Agilent 8960）：）： 主要是與手機建立一個鏈接，可以使手機穩定的發功率。主要是與手機建立一個鏈接，可以使手機穩定的發功率。 SAR測試儀：

22、測試儀： 天線測試31 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.無源測試 （Passive antenna test） 駐波比、回波損耗：駐波比、回波損耗： 對于天線而言，希望反射的能量越少越好，用駐波比來表示反射的多少，盡量接近對于天線而言，希望反射的能量越少越好，用駐波比來表示反射的多少，盡量接近1為最佳。駐波比為最佳。駐波比反映了天饋系統的匹配情況。它是以天線作為發射天線時發射出去和反射回來的能量（對于天線而反映了天饋系統的匹配情況。它是以天線作為發射天線時發射出去和反射回來的能量（對于天線而言，重點強調能量關系，而不像傳輸線那樣強調電

23、壓之間的關系）的比來衡量天線性能的。言，重點強調能量關系，而不像傳輸線那樣強調電壓之間的關系）的比來衡量天線性能的。 方向系數：方向系數： 定量的表示天線定向輻射能力的電參數。定義：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最定量的表示天線定向輻射能力的電參數。定義：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度和無方向性天線（點源）的輻射功率密度之比。大輻射方向上的輻射功率密度和無方向性天線（點源）的輻射功率密度之比。 對于手機天線而言，要求方向系數越弱越好，因為手機天線需要盡量做成全方向性的，而不是在某對于手機天線而言，要求方向系數越弱越好，因為手機天線需要盡量做成

24、全方向性的，而不是在某個方向輻射特別強。個方向輻射特別強。 天線測試32 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.無源測試 （Passive atenna test） 增益增益: 增益系數表示天線的定向收益程度。定義：在同一距離及相同輸入功率條件下，某天線在最大輻射增益系數表示天線的定向收益程度。定義：在同一距離及相同輸入功率條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度和理想無方向性天線的輻射功率密度之比。方向上的輻射功率密度和理想無方向性天線的輻射功率密度之比。 例如：如果用理想無方向性點源作為發射天線，需要例如：如果用理想無方向性點源作為

25、發射天線，需要100W輸入功率，而用增益為輸入功率，而用增益為G=13dB=20的某的某定向天線作為發射天線，輸入功率僅需定向天線作為發射天線，輸入功率僅需100/20=5W。 效率：效率： 天線效率指天線的輻射功率（天線效率指天線的輻射功率（Prad）與輸入功率（）與輸入功率（Pin）之比，也就是天線將饋點處的輸入功率）之比，也就是天線將饋點處的輸入功率Pin輻射出去的能力。效率單位是百分比，即輻射出去的能力。效率單位是百分比，即%。對于內置天線而言，要求效率至少在。對于內置天線而言，要求效率至少在30%。 天線的效率是很難通過計算獲得的，天線本身的能量損耗主要是由于天線作為導體對信號的損耗

26、，天線的效率是很難通過計算獲得的，天線本身的能量損耗主要是由于天線作為導體對信號的損耗，包括介質損耗（基板引起的、手機內磁鐵引起的）和金屬損耗（盡管很小）。包括介質損耗（基板引起的、手機內磁鐵引起的）和金屬損耗（盡管很小）。 天線測試33 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.有源測試 （Active atenna test）TRP （Total Radiated Power） 通過對整個輻射球面的發射功率進行面積積分并取平均得到，反映了手機整機的發射功率情況，通過對整個輻射球面的發射功率進行面積積分并取平均得到，反映了手機整機的發射功率情況，跟手機在傳導情況下的發射功率以及天線輻射性能有關。跟手機在傳導情況下的發射功率以及天線輻射性能有關。 天線測試34 2011 Lenovo Confidential. All rights reserved.有源測試 （Passive atenna test） TIS （Total Isotropic Sensitivity） 反映在整個輻射球面手機接收靈敏度指標的情況，反映了整機的接收靈敏度情況，跟手機的傳導靈反映在整個輻射球面手機接收靈敏度指標的情況，反映了整機的接收靈敏度情況，跟手機的傳導靈敏