無(wú)線通信設(shè)備上內(nèi)置天線設(shè)計(jì)

多頻段天線設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

近年來(lái)，移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，以及移動(dòng)電話從商務(wù)工具向手持設(shè)備的轉(zhuǎn)變促使制造商不斷尋找集成日益復(fù)雜的天線的新方法。

移動(dòng)電話最初只能工作于單一頻率。在歐洲和亞洲采用的通常是歐洲GSM委員會(huì)規(guī)定的900MHz或1800MHz兩個(gè)頻率中的一個(gè)。然而，開(kāi)發(fā)和制造同時(shí)支持兩個(gè)頻率的手機(jī)所帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，以及漫游功能為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)的可觀的利潤(rùn)，共同導(dǎo)致了可同時(shí)支持兩個(gè)頻率的雙頻GSM手機(jī)的誕生。由于在相當(dāng)分散的美國(guó)移動(dòng)電話市場(chǎng)上缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，1900MHz的GSM頻率在美國(guó)的應(yīng)用啟動(dòng)很慢。然而，隨著運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始看到采用統(tǒng)一技術(shù)的全球漫游能夠帶來(lái)巨大的利益，最近幾個(gè)月來(lái)美國(guó)GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了很大的努力以擴(kuò)展覆蓋整個(gè)美國(guó)。雖然許多新的移動(dòng)電話仍采用雙頻方式，但在未來(lái)12-18個(gè)月內(nèi)，三頻手機(jī)將逐漸成為事實(shí)上的GSM標(biāo)準(zhǔn)，即單個(gè)手機(jī)可支持目前世界上使用的所有三種GSM頻率。最近宣布的第四個(gè)主要GSM頻率允許某些運(yùn)營(yíng)商從其它技術(shù)過(guò)渡到GSM，但這會(huì)進(jìn)一步使手機(jī)制造商和天線供應(yīng)商面臨的情況復(fù)雜化，如果他們希望單個(gè)手機(jī)能夠支持所有GSM頻率的話。

隨著3G網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃于2002年下半年正式推出，設(shè)計(jì)與現(xiàn)有技術(shù)和頻率后向兼容的3G手機(jī)所帶來(lái)的更多挑戰(zhàn)已迫在眉睫。更重要的是，除了與移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)通信以外，未來(lái)的移動(dòng)電話還必須能夠與許多其它設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，而它們采用的技術(shù)包括藍(lán)牙、IEEE
802.11b （無(wú)線LAN）和GPS等，這進(jìn)一步對(duì)下一代通信設(shè)備（包括PDA、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、新型因特網(wǎng)家電和眾多其它設(shè)備）的天線設(shè)計(jì)提出了更多要求。

內(nèi)置天線設(shè)計(jì)

在移動(dòng)電話設(shè)計(jì)中，外置天線逐漸被內(nèi)置式天線所替代。最初有關(guān)內(nèi)置天線性能的擔(dān)心現(xiàn)在大部分都不存在了。事實(shí)證明，就天線效率這一對(duì)移動(dòng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)最關(guān)鍵的電參數(shù)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)良好的內(nèi)置天線可以提供與外置天線同樣的性能。消費(fèi)者對(duì)更時(shí)尚外觀的要求進(jìn)一步促使手機(jī)制造商將天線集成在設(shè)備內(nèi)部。SAR（比吸收率）此前曾被認(rèn)為是內(nèi)置天線手機(jī)的最大問(wèn)題。然而，測(cè)試結(jié)果表明，在采用內(nèi)置天線的移動(dòng)電話中可以達(dá)到相當(dāng)好的SAR性能。與外置式天線相比，內(nèi)置天線具有同樣的性能、更好的外觀特性和更為堅(jiān)固，因此從外置向內(nèi)置式天線的轉(zhuǎn)變已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

天線性能標(biāo)準(zhǔn)

采用內(nèi)置天線的主要設(shè)備類(lèi)型，幾乎所有的都采用了PIFA（平面反轉(zhuǎn)F天線）結(jié)構(gòu)。此類(lèi)天線的性能主要包括以下方面：

● 物理尺寸

● 電學(xué)設(shè)計(jì)質(zhì)量

● 電介質(zhì)襯底及外殼的射頻（RF）材料特點(diǎn)（介電常數(shù)和損耗角正切值）

● 封裝和整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的早期充分理解不同內(nèi)置天線技術(shù)的特點(diǎn)和功能是非常重要的。對(duì)天線尺寸的過(guò)度樂(lè)觀的假設(shè)會(huì)導(dǎo)致最后不得不在封裝和天線性能間進(jìn)行折衷。

多數(shù)無(wú)線手持設(shè)備的內(nèi)置天線位于系統(tǒng)地線層的上方并采用PIFA結(jié)構(gòu)。移動(dòng)電話PIFA的一個(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)是輻射器高出地線層的高度。目前多數(shù)商品化解決方案都采用7mm至9mm的高度。然而，需要指出的是智能封裝提供了使這一高度最小化而同時(shí)又可保持天線性能的機(jī)會(huì)（這種應(yīng)用的一個(gè)例子是單面電路板，雖然在一些具有想象力的設(shè)計(jì)中還可以采用更多的方法）。

內(nèi)置天線制造技術(shù)

未來(lái)所面臨的挑戰(zhàn)是在緊湊的成本合理的封裝內(nèi)集成下一代設(shè)計(jì)所需要的日益增強(qiáng)的功能和帶寬。目前無(wú)線手持設(shè)備內(nèi)置天線通常是采用沖壓金屬設(shè)計(jì)，或采用兩次注料注壓選擇鍍層塑料結(jié)構(gòu)。

沖壓金屬天線的優(yōu)點(diǎn)提供了一個(gè)成本效率相對(duì)較高的解決方案。雖然到PCB的金屬觸點(diǎn)位置偏差是一個(gè)挑戰(zhàn)，但這種方法還是可在天線中集成與PCB接觸的彈簧。進(jìn)一步，沖壓金屬天線可達(dá)到的3D形狀是相當(dāng)有限的，因此手機(jī)殼內(nèi)的物理空間并不總是能得到最優(yōu)化的使用。

由于沖壓金屬天線的限制，一些制造商選用鍍層塑料天線，采用兩次注料模壓方法和后續(xù)的無(wú)電鍍工藝（也稱(chēng)為MID器件，模制互連器件）。這種兩次注料注壓模制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以制造很復(fù)雜的3-D形狀，從而使手機(jī)制造商可更好地利用移動(dòng)電話殼內(nèi)的空間。然而，這種鍍層塑料天線的不利之處是需要相對(duì)復(fù)雜的模具。天線開(kāi)發(fā)是一個(gè)不斷反復(fù)的過(guò)程，在手機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了抵消機(jī)械方面的變化，或其它電子元件的位置變化，需要對(duì)天線進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整。不幸的是，改變兩次注料注壓模具是一個(gè)復(fù)雜耗時(shí)且成本高昂的過(guò)程。而且，在生產(chǎn)過(guò)程中，這種選擇鍍層塑料天線采用了非常慢的無(wú)電鍍（化學(xué)鍍）工藝，比傳統(tǒng)的電解電鍍需要更多的監(jiān)測(cè)和干預(yù)。

手機(jī)設(shè)計(jì)人員夢(mèng)想的是這樣的天線技術(shù)：即可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的3-D外形，又沒(méi)有設(shè)計(jì)、制造和修改兩次注料注壓模具所具有的困難。

數(shù)天內(nèi)即可制造出原型

Molex公司開(kāi)發(fā)的稱(chēng)為“Plastenna”的一種新技術(shù)以一種新的利用塑料鍍層方法，既提供了目前其它天線技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)，又避免了與注壓塑料天線相關(guān)的許多缺點(diǎn)。新的PlastennaTM技術(shù)所具有的特點(diǎn)包括：

● 3-D 造型

● 精確的機(jī)械容差

● 良好的機(jī)械剛性

● 可快速制造可電氣測(cè)試的原型（ 2 天）

● 簡(jiǎn)單的、成本合理的生產(chǎn)加工

● 可大規(guī)模制造

由于新的PlastennaTM技術(shù)與現(xiàn)代原型制作技術(shù)兼容,可電氣測(cè)試部件的快速原型制造可在數(shù)天的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并做出原型和進(jìn)行電氣測(cè)試，這為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段帶來(lái)極大的好處。

Molex公司在為移動(dòng)電話業(yè)務(wù)提供連接器、開(kāi)關(guān)和鍵盤(pán)方面具有多年的經(jīng)驗(yàn)，是這些產(chǎn)品的主要供應(yīng)商之一?，F(xiàn)在Molex公司又在移動(dòng)電話應(yīng)用產(chǎn)品中增加了天線產(chǎn)品，包括靈活電路、沖壓金屬、陶瓷、MID和PlastennaTM等不同技術(shù)的天線產(chǎn)品。