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今天我们一起来学习一篇关于手机天线设计的论文，论文作者是 Munyong Choi, Hyunho Wi, Byeonggwi Mun, Yonghyun Yoon, Hyunwoo Lee, and Byungje Lee ，作者来自于 BYD 公司和韩国 Kwangwoon University 。 智能手机现在已经很普及了，上到 80 岁老人，下到几岁孩童，都可能用到智能手机。手机天线，作为手机接收和发射信号的元件，在手机中起着重要的作用，一款好的手机天线，更是相当重要。随着移动通信的发展，手机所要支持的频段会越来越多，尤其是 5G 时代。 我们看一下最新发布的小米 11 手机，到底需要支持多少个频段呢？从最初的 2G 到现在的 5G 都要支持，包括 2G 通信系统的 GSM 和 CDMA ， 3G 通信系统的 WCDMA 和 CDMA EVDO ， 4G 的 FDD-LTE 和 TDD LTE ，当然也必须支持 5G ，共计 36 个频段。当然这里面不同制式的频段是重合的，可能可以共用一款天线，从几百兆赫兹到几个吉赫兹。 这么多的发射接收频段，对天线的设计也增加了不少的难度，而且要在手掌大小的手机上实现，设计难度可想而知。 今天我们透过这篇论文一起看一下，这么多的手机频段，天线到底是如何设计的？ 这篇论文发表于 2015 年，当时还是 4G 的时代，因此论文所述天线主要是应用于 4G 手机，其所支持的频段也不像目前手机这么多，但是对我们读者了解学习手机天线，还是有一定的参考意义的。 论文的前言中，介绍了手机天线的设计要点，和设计难点：带宽宽，尤其对于低频频段，相对带宽超过了 30% ；频段多，从低频 600MHz 到高频 2.7GHz ，体积小，而且效率高。 接着引出了论文所提出的一款 5 频 FIPA 天线。这 5 个频段包括 GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA 。天线示意图如下图所示，该天线具有两个窄缝和接线引脚，该 PIFA 印刷在具有两个狭缝的天线支架上。外壳（环氧树脂 SLA 树脂 + 聚丙烯酸酯； = 3.13, ）的尺寸为 126 × 66 × 8.9 mm 3 。基板（ FR-4; ，）具有 7 × 62 × 1mm 的整体尺寸 3 ，和 PCB 接地平面具有的 115 × 62 × 1mm 的整体尺寸 3 ，这是基于在商业智能手机的大小 . 天线支架（环氧树脂 SLA 树脂 + 聚丙烯酸酯；， ) 的体积为 62 × 8 × 5 mm3 。 图 2 给出了这款天线的仿真驻波示意图，文章中以 VSWR<3 作为设计参考，可以支持除了 LTE 频段外的 GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA 频段。通过结合 PIFA 模式和两个狭缝模式，实现了多波段操作和宽带宽。经验证，表面电流分布如图 3 所示。 GSM850/900 频段由 PIFA 的基本谐振模式覆盖，如图 3(a) 所示。 DCS/PCS/WCDMA 频段与狭缝 1 和狭缝 2 的半波长狭缝谐振模式相结合，如图 3(b) 和 3(c) 所示， 分别。 PIFA 的 3 次谐波谐振模式在 3 GHz 左右实现，如图 3(d) 所示。图 4 以展开视图示出了每个谐振模式的电流路径，如图 1(c) 所示。所提出的五波段 PIFA 的每个谐振模式都是在每个谐振频率上独立实现的。图 5 显示了不同 a 、 b 和 c 长度的模拟，如图 1(c) 所示。图 5(a) 和 5(b) 表明，通过改变 a 和 b 的长度，阻抗可以在 1800 MHz 和 1900 MHz 附近匹配，因此 DCS/PCS/WCDMA 频段很容易通过优化调整 a 和 b 的长度来实现。图 5(c) 显示了所提出的天线的谐振频率可以由 c 的长度控制。当 c 的长度增加时，较低和较高频带的谐振频率向下移动。虽然提出的五频段 PIFA 在紧凑的体积内具有宽带宽和多频段操作，但并未涵盖低频 LTE 频段和高频 LTE 频段，如图 2 所示 . 为了覆盖整个 LTE 频段，在低频 LTE 频段（ 699-862 MHz ）需要额外的谐振模式，并且需要在 3026 MHz 的五频段 PIFA 的 3 次谐波谐振模式来移动高频 LTE 频段（ 2496 – 2690 MHz ）。在下一节中，通过嵌入接地引脚和两个 PIN 二极管，提出了与所提出的五频段 PIFA 相结合的频率可重构天线，以覆盖 3G 服务频段（ GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 频段）和整个范围 LTE 频段。 图 3 给出了该天线的表面电流分布 接下来，神奇之笔来了，通过嵌入接地引脚和两个 PIN 二极管，提出了与所提出的五频段 PIFA 相结合的频率可重构天线，以覆盖 3G 服务频段（ GSM850/ 900/ DCS/ PCS/ WCDMA 频段）和整个范围 LTE 频段。 五频段 PIFA 是为 GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 频段设计的， 3 次谐波谐振模式发生在 3 GHz 附近。为了额外覆盖低频 LTE 频段和高频 LTE 频段，建议的五频段 PIFA 首先修改为更长的 c 长度和一个额外的接地引脚，如图 6 所示。 c 的长度略微增加到 11.4 mm ，而天线高度和支撑没有增加。如图 5(c) 所示，五波段 PIFA 的谐振频率随着 c 的长度向下移动增加。在右上方增加了一个额外的接地引脚，因此修改后的五波段 PIFA 的谐振频率进一步向下移动，如图 7 所示。然后，最终将两个 PIN 二极管（ PIN 二极管 1 和 PIN 二极管 2 ）嵌入建议天线的左上侧和右上侧作为接地引脚，如图 8 （ a ）所示。图 8(b) 和 8(c) 分别显示了没有 / 有外壳的建议天线的照片。图 9 显示了模拟的建议的天线与开关技术。对于状态 1 （ PIN 二极管 1 ： ON 状态， PIN 二极管 2 ： OFF 状态），建议的天线工作在低频 LTE 频段、 DCS/PCS/WCDMA 频段和高频 LTE 频段。观察到，通过使用增加的 c 长度（ 11.4 mm ）和右上方的额外接地引脚，一阶和三阶谐波谐振模式现在向下移动以分别覆盖低频 LTE 频段和高频 LTE 频段边。对于状态 2 （ PIN 二极管 1 ： OFF 状态， PIN 二极管 2 ： ON 状态）， GSM850/900 频段由 PIFA 的谐振模式操作，其中接地引脚连接到右上方的 PIN 二极管 2 。图 10(a) 和 10(b) 分别显示了拟议天线在低频 LTE 频段（状态 1 ）中的 780 MHz 和 GSM850/900 频段（状态 2 ）中的 920 MHz 处的模拟表面电流分布。值得注意的是，建议的天线在每个状态（状态 1 或状态 2 ）下独立运行。图 11(a) 和 11(b) 还分别显示了拟议天线的模拟表面电流分布，包括低频 LTE 频段（状态 1 ）中的 780 MHz 和 GSM850/900 频段（状态 2 ）中的 920 MHz 的接地平面。观察到地平面上的表面电流强度远低于辐射体上的强度，因此所提出的天线的辐射效率不受用户手部效应的显着影响。通过在右上方增加一个接地引脚来增加电流路径的长度，并通过开关技术结合两种工作状态（状态 1 和状态 2 ），实现了低频段的宽阻抗带宽。所以，提议的天线可以有效地覆盖整个 LTE 频段范围以及现有的商业频段（ GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA ），同时符合严格限制的天线体积。为了证明所提出的天线切换方案的有效性，所提出的具有两个 PIN 二极管和偏置网络的天线的设计如图所示 12 . 使用纽扣电池将偏置电压设置为 3 V 。在偏置网络中， R 1 和 R 2 电阻用于控制偏置电流， C 1 和 C 2 电容器用于隔直，和电容器用于旁路， L 1 和 L 2 电感器用于射频扼流。偏置网络中每个组件的值如下： R 1 = R 2 = 300 Ω， C 1 = C 2 = 100 pF ， = = 100 pF ，并且 L 1 = L 2 = 100 nH 。在正向偏置状态下， PIN 二极管的串联电阻在 10 mA 时最大为 0.5 Ω。 SKYWORKS 的 SMP1322-040LF 用于将由于 PIN 二极管的串联电阻引起的耗散功率损耗降至最低 。图 13(a) 显示了对建议天线的模拟和测量。模拟结果与实测结果吻合良好。图 13(b) 和 13(c) 显示分别针对低频段和高频段模拟和测量的总效率。对于所有工作频段，建议的天线总效率大于 40% 。天线效率是根据 CTIA 3.3 在 HOWLAND 的 OTA 室中测量的，这对于工业中的实际移动手机天线应用来说通常是可以接受的 。图 14(a) 、 14(b) 、 14(c) 和 14(d) 分别显示了在 800 MHz 、 920 MHz 、 1950 MHz 和 2600 MHz 下模拟和测量的辐射图。模拟和测量的结果吻合得很好。 这篇论文提出了一种紧凑的频率可重构多频段天线，以在 8 × 62 × 5 mm 3 (2.48 cc) 的非常小的天线体积内覆盖大多数商业 3G/4G 移动应用。在有限的天线体积 (8 × 54.6 × 5 mm 3; 2.18 毫升）。然后，结合改进的五频段 PIFA ，优化添加了两个 PIN 二极管和一个额外的接地引脚，并且建议的天线也可以覆盖整个 LTE 频段范围。对于状态 1 ，建议的天线覆盖低频 LTE 频段、 DCS/PCS/WCDMA 频段和高频 LTE 频段。对于状态 2 ，它涵盖 GSM850/900 频段。对于所有工作频段，建议天线的总效率大于 40% 。因此，本文提出的紧凑型频率可重构天线有望广泛用作手机天线。 随着手机所要支持的频段越来越多，手机天线也会越来越复杂。出去论文中所给出的用于通信的天线之外，手机天线还包括蓝牙天线， GPS 天线， NFC 天线等等。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。

虽然广告声势浩大，但商家没有告诉您的是，这些便宜的"全网通"手机在某些国家可能无法4G上网……    一、引子 今天下午发布的魅族Pro 6，没出意外，仍然是"全网通"，但是是支持18个频段的“全网通”——18个频段当中，对4G的支持是FDD的Band 1,3,7,与TDD的38,39,40,41。 我是个测试工程师，理工男，深知一分钱一分货的道理，坚信没有研发积累与投入，就不可能做出让人耳目一新的产品。 不过，我的这个小信仰，近来经常被“互联网思维”颠覆……乐视的CEO贾跃亭就在最近的一篇长博文中称都是同样的产品性能，而apple、三星、华为故意将价格标高是在“博傻”，愚弄消费者，而只有乐视决定硬件不赚钱，甚至免费——所以不同价格的 产品真的是同样的性能吗？ 明天是乐视的生态414，我想给上面这些可能经常要奔波于两岸三地、美国、欧洲的娱乐明星们做个风险提示：能够在国内“全网通”，不一定能够在国外“全球通”，友情代言乐视手机没问题，购入使用则需谨慎。 在我微博的上篇文章里面已经提到过，不是所有的“全网通”手机都具备同样的全球支持能力与良好的4G性能，今天，我想说的更直接、明确一些： 在哪些国家有风险，在哪些国家肯定不能用。 二、4G的国际漫游与风险提示： 从 GSM发展到3G，世界范围内各大主流运营商对频段的使用相对稳定且统一，GSM制式有4个频段选择，WCDMA有8个频段选择，对手机的天线设计来说也 已经较为成熟。而到了4G时代，即LTE-FDD或TDD，总共有20多个频段选择——如果要支持全球漫游的话，需要尽可能多地满足这些频段要求，这对手 机天线工程师来说是一个巨大的挑战！目前， 并不是所有手机厂商都具备这个设计能力！ 大 部分国内互联网手机公司所谓的全网通手机，在4G只能支持7个频段（Band），即FDD的B1/3/7，和TDD的B38/39/40/41——这种 “3+4”的4G频段配置，对于国内三大运营商来说就已足够了，如下图所示，为乐视max的全网通频段列表（乐1s也一样）。 又如小米5： 如果加上在GSM、WCDMA等2G、3G上支持的频段数量，一般就能够称作支持5模17频或18频等——这些 所谓的18频手机，只支持4G的FDD B1/3/7 + TDD B38/39/40/41，在以下国家将有风险： 1. 美国：将于90%的可能性无法顺利进行漫游（ 特指4G网络，下同 ） 下表显示，美国有11个运营商，做LTE运营的有10个频段，而以乐Max为代表的“全网通”手机（4G频段只能支持 FDD B1/3/7 + TDD B38/39/40/41 ），仅符合了其中一个频段（1/10，10%），如果仅从频段上计算，而忽略不同频段覆盖的差异，将有90%的可能性无法进行4G上网。 数据来源：www.frequencycheck.com 2. 在阿根廷、墨西哥、格林兰岛、秘鲁等几个国家，则100%无法进行4G漫游： 3. 类似的，在台湾、香港、菲律宾、新加坡、韩国、日本、加拿大、瑞典、丹麦、芬兰、挪威、冰岛、英国、瑞士、法国、德国、意大利、俄罗斯、葡萄牙、荷兰、新西兰、澳大利亚、比利时等国，这种所谓支持18频的“全网通” （ FDD B1/3/7 + TDD B38/39/40/41 ）手机， 均有不同程度的风险，无法4G连接当地网络。 数据附后。 三、厂商的技术段位，与手机所能支持的频段数量成正比 我带大家看一眼乐视手机的支持频段情况： 以上数据来源：www.frequencycheck.com，由于非官方发布，可能会略有出入，但我查验过其他手机的官方数据，基本是相符的。在LeMax的15频当中 ，4G只占“3+4”，即FDD有3个频段，TDD有4个频段。以下所列表格当中，总数支持18频段以下的手机，在4G上基本都是仅支持“3+4”的7频配置。 小米： oppo： 360： 看看联想： 华为，最新的P9最多支持31频： 三星，最新的旗舰S7支持29~31频，而在4G的支持频段数上比华为P9有过之而无不及： 最后，我们来看Apple，iphone 6s最多支持惊人的37频...... 最后的最后，我们看看昨天发布的HTC10 国际版与国行版到底有何差异： 四、预告 我 已经通过此前的两篇文章，介绍过，从频段支持数量上我们就能很快发现不同手机在“支持”能力上的差异——而对于支持同样多频段的不同手机来说，4G网速的 能力差异的区分（以前经常说的“信号”），则需要进一步更严格、科学的测试来表征，专业上，我们将针对4G手机下行速率的测试称之为MIMO OTA。 S7 edge（其中一个版本）与小米5同样使用了高通820芯片，但前者支持20个4G频段，而后者只是支持“3+4”，此外，在同一个频段下面，二者的4G下载能力也有高下之分。 MIMO OTA中有趣的测试结论，下周见。 ================== ================== 附件：在4G频段仅支持“3+4”（ FDD B1/3/7 + TDD B38/39/40/41） 的“全网通”手机漫游风险：