自制4g天线设计

来源:电脑网络 时间:2016-08-24 10:20:13 阅读:

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自制4g天线设计(一)
分解4G智能手机天线设计的挑战

分解4G智能手机天线设计的挑战

2010年全球移动数据消费量增长了2.6倍。这是移动数据使用量连续三年接近3倍的增幅。到2015年,全球移动数据业务量有望增长到2010年的26倍。导致这种戏剧性增长的关键因素之一是智能手机和平板电脑的快速普及。全球移动数据用户希望他们的设备在全球任何地方都能高速联网。

这种期望给网络和设备性能带来了巨大的负担。在移动数据设备中,天线是“接触”网络的唯一部件,优化天线性能变得越来越重要。然而,智能手机和平板电脑中的4G天线设计所面临的挑战十分艰巨。尽管应对这些挑战有多种可行的解决方案,但每一种都会有潜在的性能折衷。

4G天线设计挑战

有许多因素会影响手持移动通信设备的天线性能。虽然这些因素是相关的,但通常可以分成三大类:天线尺寸、多副天线之间的互耦以及设备使用模型。

天线尺寸天线尺寸取决于三个要素:工作带宽、工作频率和辐射效率。今天的带宽要求越来越高,其推动力来自美国的FCC频率分配和全球范围内的运营商漫游协议;不同地区使用不同的频段。“带宽和天线尺寸是直接相关的”且“效率和天线尺寸是直接相关的”--这通常意味着,更大尺寸的天线可以提供更大的带宽和更高的效率。 除了带宽外,天线尺寸还取决于工作频率。在北美地区,运营商Verizon Wireless和AT&T Mobility选择推广的LTE产品工作在700MHz频段,这在几年前是FCC UHF-TV再分配频段的一部分。这些新的频段(17,704-746MHz和13,746-786MHz)比北美使用的传统蜂窝频段(5,824-894MHz)要低。这个变化是巨大的,因为频率越低,波长越长,因而需要更长的天线才能保持辐射效率不变。为了保证辐射效率,天线尺寸必须做大。然而,设备系统设计人员还需要增加更大的显示器和更多的功能,因此可用的天线长度和整个体积受到极大限制,从而降低了天线带宽和效率。

天线间互耦更新的高速无线协议要求使用MIMO(多入多出)天线。MIMO要求多根天线(通常是两根)同时工作在相同频率。因此,话机设备上需要放置多根天线,这些天线要同时工作且相互不能有影响。当两根或更多天线位置靠得很近时,就会产生一种被称为互耦的现象。 举例说明,移动平台上紧邻放置两根天线。从天线1辐射出来的一部分能量将被天线2截获,截获到的能量将在天线2的终端中损耗掉,无法得到利用,这可以用系统功率附加效率(PAE)的损耗来表示。根据互换性原理,这种效应在发送和接收模式中是相同的。耦合幅度反比于天线的分隔距离。对于手机实现而言,MIMO和分集应用中工作在相同频段的天线之间的距离可以是1/10波长或以下。例如,750MHz时的自由空间波长是400mm。当间隔很小时,比如远小于一个波长,则耦合程度会很高。天线之间耦合的能量是无用的,只会降低数据吞吐量和电池寿命。

设备使用模型与传统手机相比,智能手机和平板电脑的使用模型有很大变化。除了正常工作外,这些设备还要满足电磁波能量吸收比(SAR)和助听器兼容性(HAC)法规要求。

使用模型的另一个方面是消费内容的类型。诸如大型多人在线角色扮演游戏(MMORPG)和实时视频数据流等视频密集型移动应用不断推动数据使用率飙升。据ABI Research预测,从2009年到2015年,西欧和北美地区数据使用率有望分别以42%和55%的年复合增长率(CAGR)增长。这些相似的应用正在驱动制造商生产出更大尺寸、更高分辨率的显示屏。数据使用率的提高也在悄然改变消费者对这些设备的手持方式。例如,对于游戏应用来说,使用者必须用两手紧握设备两头,而其它应用程序可能根本无需用手握住设备。

越来越大的显示屏和使用者抓握方式的改变,使得为天线辐射单元找一个不被显示屏或用户手掌阻挡的好位置变得越来越困难。除了这些约束外,设备制造商希望产品系列拥有更少的

SKU(最小存货单位),而且开发出能够在全球任何地方工作的平台是此类产品的发展趋势。 解决方案

为了实现全球通用,智能手机或平板电脑必须能在各种频段和协议下工作。当然,并不要求同时在所有频段和协议下工作,因此可以开发一种能调整到目标工作频段的天线系统。这种状态调谐式天线可被称为“智能天线”或“自适应天线”。其基本原理是,将瞬时工作频率限制为一个或两个感兴趣的窄带频段,以满足特定地区的协议要求。这样,对宽带工作的要求就降低了,允许天线被装进更为紧凑的空间,同时又不牺牲辐射效率。

有两种基本方法进行天线调谐:馈点匹配和孔径调谐。不过,有许多因素会影响到这些方法的实现决策,目前还没有一个单独的解决方案能适合每种应用。

馈点匹配馈点匹配可用于许多天线实现中,无论是可调谐还是不可调谐。匹配电路的主要功能是,在宽范围的工作条件下,实现天线终端阻抗与无线电系统其余部分阻抗(通常是50Ω)的匹配。典型的可调谐匹配实现,使用并联或串联可变电容作为阻抗匹配电路的一部分。调整电容容量可以改变目标电路的谐振频率。

根据所需的天线尺寸来压缩和调谐范围,一般需要较大范围的容量变化以实现频率迁移,因此通常要求多个调谐元件和/或宽范围的调谐值。图1给出使用可变元件的天线馈点匹配电路。 图1:采用可变阻抗匹配电路的固定式宽带天线

孔径调谐孔径调谐是通过改变辐射元件的谐振结构实现的。典型的实现方式是采用一个简单的开关来选择天线结构上的不同负载元件。开关负载元件会影响天线的电气长度,从而改变谐振频率。图2是采用固定阻抗匹配电路的可变状态、孔径调谐天线的交流电路模型。 图2:采用固定馈点匹配电路的可变状态天线

不论是采用馈点匹配还是孔径调谐方法,如果天线同时用于发射和接收,那么调谐器件就必须能够承受最大发射功率,而且要能保持良好的性能特征。

案例说明

下面这个例子很好地说明了调谐方法在天线体积减小方面带来的好处。这里用3D电磁建模程序分析两种不同的天线配置:一种是宽带设计;另一种是可以在相同频率范围内调谐,但使用了4个调谐状态的窄带设计。

图3a显示了一个50x6x14mm的7频段天线配置,以及从700MHz至960MHz的较低三波段频谱范围内的相关辐射效率。图3b显示了相似的但体积更小(50x6x7mm)的天线配置。从图中可以看出,使用4个状态的调谐电路,可以产生几乎与较大的宽带天线相同的效率,以及整体频率覆盖率。

图3:在700MHz至960MHz范围内,a)多频段天线 和 b)调谐天线的体积和辐射效率的比较(天线尺寸单位:mm)。

从图3示例可以清楚看到,通过将天线调谐到某一种状态,每个状态支持特定的一组频段,就可以实现天线物理体积的减半。在天线工作时,如要改变工作频段,只需改变状态即可。但这种改变所需的时间必须与无线电系统中其它功能的要求相一致。典型要求是10ms至20ms或更短时间。

互耦效应同时工作在相同频率的相邻天线间会产生互耦效应,这可以通过隔离技术加以减轻。最常用的技术是在物理上将天线彼此分开。随着间隔距离的增加,互耦效应将随之减弱。不过,对于手持设备来说,很难提供足够的间距来减弱互耦效应。在这种情况下,系统设计人员需要采用其它不同的天线解决方案来达到规范要求的性能指标。

还有一种可行的解决方案,使用SkyCross公司提供的隔离模式天线技术(iMAT),从相同的天线结构产生两种不同的模式。iMAT天线结构放置在手机的一端;两个馈点分别运行不同的辐射模式。这两个馈点是相互隔离的,不会发生互耦导致的损耗,因此每种模式的效率都很高。

另外,辐射图案是不同的,因此会产生一个较低的相关系数。图4描述了iMAT天线的实现原理,从图中可以看到,在相同天线结构上的两个馈点之间的隔离。

图4、iMAT天线实现原理

使用模型

为了缓解各种使用模型的影响,有必要将状态调谐和模式隔离两种方法结合运用。模式隔离允许具有多个馈点的单天线结构执行多个MIMO天线的功能;而状态调谐则允许这种结构非常小,但仍然能够非常高效地在宽频率范围内工作。图5显示了以6个调谐状态覆盖多个频段的可变状态iMAT天线结构的平均测量效率。iMAT结构能在平衡或不平衡的增益配置下工作,并且与传统天线设计技术相比,能以更小的封装提供更高的性能。

图5:覆盖所有3G/ 4G应用,且具有两个MIMO天线端口的状态调谐式iMAT结构

对于复杂的智能手机和平板电脑设备,要实现高效天线系统,就必须克服巨大挑战。新兴的LTE和其它4G网络覆盖了700MHz至2700MHz的不同频段。这些新的频率将增加到传统3G频段中,以满足全球移动漫游和兼容性要求。

先进的无线网络通过在用户设备中使用MIMO来提高数据吞吐量。此外,诸如在线游戏和视频流等数据密集型应用正在催生更大的显示器和种类广泛的使用模型。这也给系统设计人员带来更多难题,例如要在设备上找到足够空间来实现多频段多天线系统。幸运的是,状态调谐和iMAT等先进的天线设计技术可以帮助设计人员从容应对上述挑战,灵活实现外观时尚、功能丰富的移动设备,并提供真正的4G网络性能。

自制4g天线设计(二)
自制简易天线

一、易拉罐天线:

需要准备得工具和原料如下:

1、剪子一把

2、靓工刀一把

3、普通电工胶带适量

4、空易拉罐一只(铁壳铝壳均可,可乐雪碧都可以)

这几样工具都是通常家庭得常备工具

啥?你找不到易拉罐?

FT,马上给我到楼下去买一罐雪碧上来,一口气喝完它。

工具和原料备齐以后,咱们就要吧。

首先把易拉罐清洗干净,把里头得水倒掉。接着用靓工刀沿着易拉罐接缝得地儿慢慢切开,参考图片

接下来找到和这条接缝180度相对得还有一点一边,也用靓工刀慢慢切开

接着用剪子慢慢地沿着底边剪半个圆过去,另一头则剪还有一点半个圆,参考图片:

做好以后自己处理一下,主要是清理一下边缘(易拉罐非常锋利)预防日后得使用中弄伤了手。

在罐子底部和顶部开两个孔,和你原来得AP天线非常一下,直径大小可 能大于天线一点就行了,套到AP天线上去试一下,必须可以自如地套进去,自然此 时候没办法固定,罐子这原因是孔比天线大,只能松松地靠在天线上。:)

将贴不错得半个罐子套到原来得AP天线上试一下松紧程度,可 能以能够套进天线而且保持必须得固定能力为准。要是太松得话就再贴部分胶带上去。再试一下旋转这半个罐子,要做到能够旋转自如。象下面相片中是可以得松紧程度:

OK 成功

成效大伙尝试一下就了解了,信号有特明显得提升

二、奶粉罐天线:

DIY精神是利用手头得资源,发挥第一得做用,咱们身边非常多得金属罐子,奶粉罐是最常见得了。

下面介绍下DIY 奶粉罐天线得过程:

根据测试,首先确定自己DIY得数据:

各数据如下:

中心频点=2.445G

圆筒直径=127mm

圆筒长度=111mm

振子长度=31mm

振子距圆筒底部边距=37mm

你必须能问这数值是哪里来得?微波天线得制做精度很高,起码要达到毫米级,要不非常容易以至天线不可用,由于每个人获得得圆筒不 一样,这有一个圆筒天线得通用计算器,可以精确得计算各参数,以此使这个天正在制做上达到实用化!

通用计算器:

从图片可以看出,馈线得屏蔽网连接金属圆筒,信号通过圆筒反射到振子上,自然振子是馈线得芯线了,芯线与金属筒是绝缘得,这点必须得要小心!

非常多爱好者都Like在圆筒加装N座或BNC座,接着在馈线得连接处做对应得N头或BNC头,用在连接。可mr7感到虽说该办法对使用十分便利,可同时也对信号造成了损耗(估计1-2DBI),特 别在

2.4G得频段愈加明显!正是这个原因,mr7决定把屏蔽网直接焊在圆筒上(焊接前先把外壳打磨光滑),而做为振子得芯线则保留其原来得泡沫绝缘。这么一来把损耗减到最低。有点专线专用得味道了!

提议大伙最好在焊接前找根直径稍比馈线粗一点得小铜管和热缩套管,先把铜管套在馈线上,接着跟屏蔽网一块儿焊牢在金属圆筒得外壳上,接着用热风筒把热缩套管来回吹多次,把馈线固定在铜管上,这么一来可以非常不错得减低由于调节天线时给馈线和振子送去得影响!

是选用双屏蔽得RG-58电缆,接头是SMA母头,用在接在WIFI得AP上面。通常看馈线直径愈粗愈好,而且长度要尽量短,要不馈线过长所造成得损耗比天线增益还大,失去DIY得意义!mr7使用得馈线直径由于非常小,因 此长度取在1米这数值。特不错得馈线是制做天线得主要,2.4G频段得信号在线材中得损耗和泄漏比400Mhz得大非常多,因 此馈线必须得要用屏蔽网加铝薄双屏蔽,而且芯线要尽量粗。

把接头做好也就成功了。

成效那自然不是通常得行了

2、多与身旁得同好们交流心得,听取各方意见,边做边学,这么能少走弯路。

3、制做天线时得尺寸和用料是成功得主要,要把握好尺寸得精确度,原料要选质量过关得。在这次制做中我每次裁剪时都要反复量度尺寸,精确度起码是mm级。原料方面,我用得是厚底得铁罐,而馈线

则是进口得双屏蔽电缆。

4、由于附近非常多写字楼,自然用无线网上得公司也非常多,同时楼宇之间距离非常宽,因 此在家中得阳台可以收到这么多网上得信号,这一点再次验证了“好机不如好天线,好天线不如好传播!”这经验。

5、根据玩家给予得数据,该WIFI圆筒天线得增益在12DBI左右。假如改进一下,在天线外口加一个喇叭状得金属圆环,该天线还可以增加3DBI得增益,大伙不妨试试!

同时说明一下该天线不适合担当无线中继功能得AP用,提议做无线中继时最好使用高增益得同轴全向天线。

三、蚊香天线(提高篇)

先做好准备工做吧,工欲善其事,必先利其器! 工具:30W以上电烙铁一把(功率小了焊这玩应太费劲),助焊剂(松香好像不太好用,我用得那种膏状得),平口钳,大剪子,小钢锯。u 原料:电视机拉杆天线一截(用来做中间那个支撑四棱天线振子用得),1.5mm铜丝适量,50欧姆同轴发泡电缆(在可能得情况下尽可能得短,长了对功率损耗太大,我用了1.2M),SMA头一个(我得D-LINK514是这接口得),铁质蚊香盘一只(呵呵,这太容易找了)【自制4g天线设计】

内部成效

背面图片

小心焊点

成品【自制4g天线设计】

喷了漆是不是非常行业呢?

四、漏勺天线

要是无线路由器或无线AP不适合加装增益天线,那么咱们该如何去增加无线信号得传输距离和效

率呢?显然,必须给无线网卡增加增益天线了。下面我以USB无线网卡为基础元件,介绍一下如何去制做无线网卡增益天线。

1、寻找原料

【自制4g天线设计】

首先寻找有规则抛物面得金属器具,那么你能想到啥呢?非常快你就能想到家中得铁锅,可铁锅质量较重且不适合固定和安装,也不靓观。好在,咱们得祖先在千年以前就为咱们发明了制做增益天线得好物件“漏勺”(图3),是不是有点疑问?马上你就了解它除了可以用来捞饺子和面条,还能用来制做增益天线。【自制4g天线设计】

2、准备工具

制做过程中可能用到得工具有手锯、尖头钳子、橡胶管以及USB连接线等。手锯是用在将漏勺把锯掉或让它长短可以。尖头钳子则用在在漏勺中心为橡胶管剪一个可以得缺口。橡胶管得做用是根据焦点得距离将USB接头固定在漏勺上;而USB连接线是为了将无线网卡与电脑连接起来。自然,你还是要准备好一把尺子,要是必要也需要纸、笔和计算器,以测量和计算焦点位置。怎么你还不能计算,去1楼找吧。

3、计算焦点位置

确定了焦点位置才可以确定胶皮管得长度,才可以固定胶皮管和无线网卡。

计算出焦点距离漏勺底部中心(胶皮管安放处)得长度,要小心得是要考虑USB网卡得长度,这原因是USB无线网卡得天线是内置得。

打开USB无线网卡,内置天线就位于左侧白色位置。这么只确保USB无线网卡得底部位于焦点位置就行了,要是USB无线网卡自身长度差部分,则需要用胶皮管来支撑USB无线网卡。

4、固定USB无线网卡

在确定焦点位置以后,就可以对USB无线网卡进行固定了。必须要小心测量好USB网卡得长度和胶皮管得长度,二者连接后得长度之和应等于计算不错得焦点距离。

6、为天线制做支架

可以使用漏勺原来得竹板做为支撑,但却每次使用都需要找可以得位置固定,这种情况下就需要给天线制做一个支架,做一个三脚支架就非常牢固。原料可以任意选择,只支架原料与漏勺天线绝缘就行了。例如,可以使

自制4g天线设计(三)
4G智能手机天线

4G智能手机天线给设计人员的挑战 2010年全球移动数据消费量增长了2.6倍。这是移动数据使用量连续三年接近3倍的增幅。到2015年,全球移动数据业务量有望增长到2010年的26倍。导致这种戏剧性增长的关键因素之一是智能手机(smartphone),具有语音通话功能和数据通信功能,易用性与个人电脑接近的便携终端的总称。和平板电脑的快速普及。全球移动数据用户希望他们的设备在全球任何地方都能高速联网。

这种期望给网络和设

备性能带来了巨大的负担。在

移动数据设备中,天线是“接

触”网络的唯一部件,优化天

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