CMMB终端内置天线设计参考手册V10Word格式文档下载.docx
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3.3CMMB整机终端性能测试要求15
3.4CMMB终端整机灵敏度(最低接收场强)测量方法16
4CMMB内置天线开发流程17
4.1结构设计阶段18
4.2原理图设计阶段18
4.3PCB布局布线阶段18
4.4产品制作和调试阶段18
4.5产品验收阶段19
4.6CMMB内置天线开发合作流程图19
5参考文献20
前言
移动多媒体广播的发展已经由单纯的音视频业务向包括数据推送业务在内的多元方向发展。
数据推送业务要求移动终端时刻处于准备接收状态,用户具有不被感知、被动接受的特点。
若采用拉杆天线,需要天线时刻处于拉升状态;
否则用户在未拔出天线的情况下,接收到的信号灵敏度较低,无法享受到CMMB提供的各项服务。
因此,外置天线已经不适应CMMB业务的发展,必须将CMMB天线放置在移动终端内部。
随着技术的进步,内置天线的整体性能已经接近拉杆天线,能够满足CMMB标准的要求。
CMMB内置天线在移动终端中安装受到净空区的约束,且若电子噪声未被适当抑制,则将导致信噪比的恶化,即接收品质的下降。
。
针对内置天线在CMMB移动终端的设计集成过程中碰到的问题,本文档给出了一些指导建议,从而方便终端厂商采用内置天线方案。
本参考手册由中广传播集团有限公司技术产品部提出并归口。
本参考手册由中广传播集团有限公司技术产品部负责解释。
本参考手册起草单位:
中广传播集团有限公司,广电总局规划院,国民技术股份有限公司,诺基亚(中国)投资有限公司,银河之星科技有限公司。
本参考手册起草人:
余英,周红君,方宏,同瑛,蒲珂,王力,赵丽娜,李哲山,刘芳凝,路宏伟,鞠树柏,张培,赵琳莉,李艳铭,吴醒峰,徐颖清,黄奂衢,张一昉。
1CMMB天线概要
1.1CMMB对天线的要求
天线是无线电系统的基本部件,它为辐射和接收无线电波提供了手段。
对接收机而言,天线用于接收电磁波,将其引向连接着传输线的公共馈点,它提供了自由空间电磁波到传输线的转换。
CMMB对天线的要求包括机械性要求和电气性要求两部分。
机械性要求:
天线尺寸小,重量轻,强度好,携带与使用方便。
电气性要求:
天线频带宽,天线效率高,增益高,水平面要求有全向辐射方向图,并且受周围环境影响小。
1.2CMMB天线的分类
1.2.1天线形态分类
CMMB天线可以根据天线所处的位置分为外置天线和内置天线两大类。
常见的CMMB外置天线包括:
(1)拉杆天线
(2)耳机天线
常见的CMMB内置天线包括:
(1)单极子弯绕型天线
(2)陶瓷天线
(3)PCB天线
当然还有很多新型CMMB天线,众厂家正在开发中。
1.2.2外置天线
外置天线的优点是频带范围宽、天线效率高、电子噪声较低、制造简单、费用相对低;
缺点是天线暴露于机体外易于损坏、天线靠近人体时导致性能变查。
而传统的外置天线一般多为拉杆天线。
至于耳机天线由于接收性能不稳定,使用不够方便,目前终端上相对而言较少采用。
图1:
CMMB拉杆天线
拉杆天线虽然电气性能较好,但同时存在如下缺点:
(1)拉杆天线经常需要拉伸使用,天线的磨损较大,寿命较短。
(2)拉杆天线只有在向外拉升时才能有良好的接收效果,在相对拥挤的公共场所,向外拉升的拉杆天线容易触及到他人,同时拉杆天线也容易受到挤压或落摔而损坏,使用不方便。
(3)对于CMMB数据推送业务,CMMB终端需要不定时接收数据,拉杆天线长期处于打开状态不甚实际。
1.2.3内置天线
随着移动多媒体广播数据业务的开展,传统的拉杆天线已经成为瓶颈。
以广播形式发送的数据业务,要求终端时刻处于准备接收状态。
但若采用拉杆天线,需要天线时刻处于拉升状态,而这在应用中往往是不切合实际的。
因此,就有必要将CMMB天线放置在终端内部。
相比外置天线,内置天线具备如下优势:
(1)内置天线可以让终端始终处于准备接收状态,从而便于数据广播业务的发展。
(2)内置天线较不影响终端外形工业设计。
(3)内置天线不存在损坏、丢失的情况。
(4)内置天线电气性能虽没有拉杆天线好,但随着技术的进步,整体性能已可经由适当设计而接近拉杆天线的电气性能。
从整个终端发展的角度来看,天线内置本身是一明显的趋势,也为手机、PND等移动终端朝“小、轻、薄”方向发展打下了基础,满足移动终端便携和可靠应用的需求。
当然,内置天线与拉杆天线相比,也存在接收灵敏度、净空要求等方面的差距,需要随着内置天线相关技术的研究不断优化。
内置天线的形式多元,下面仅就单极子弯绕型天线、陶瓷天线、和PCB模块天线进行简单介绍。
单极子弯绕型天线
单极子天线具有体积小、加工简单、带宽相对较宽的特点,是在CMMB内置天线中使用较普遍的天线。
图2:
CMMB单极子弯绕型天线
单极子弯绕型天线常用FPC工艺进行加工,且加工工艺简单、成本低廉,又FPC具有弯折特性,便于在终端内部各个位置使用。
CMMB涉及的频点较低、带宽较宽(470MHz~798MHz),单独使用单极子弯绕型天线无法做到全频段的良好接收。
为了解决这个问题,实际应用中往往需要在天线和CMMB芯片之间增加电路或者模块,这部分电路或者模块,起到匹配和增加信噪比的作用,以提升原有天线性能。
陶瓷天线
陶瓷天线是一种小型化的天线。
陶瓷天线的种类可分为块状陶瓷天线与多层陶瓷天线,前者是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后,再将天线的金属部份印在陶瓷块的表面上;
后者则采用低温共烧(LTCC)的方式将多层陶瓷迭压对位后再低温烧结,所以天线的金属导体可以依设计需要印在每一层陶瓷介质层上,故可有效缩小天线所需尺寸,并能达到隐藏天线设计与布局的目的。
图3:
PCB模块天线
PCB模块天线是一种制作在PCB板上的天线,其可以和电路设计在同一块电路板上。
PCB模块天线的天线外形固定,因此相较于前述的内置型天线而言,PCB模块天线对手机外形与结构有较高的要求。
图4:
PCB天线
表一:
常用的三种内置天线比较
单极子弯绕天线
外观
说明
单极子形式,粘贴在终端后盖或者塑料支架上
片状外形,安装于终端内部
天线可以和电路设计在同一块电路板上
终端结构设计要求
较低
天线外形不固定且弯折可变,可配合终端外形做设计
天线外形较小,在终端内部占据空间较小
较高
PCB模块外形固定,对终端外形有较高要求
1.2.4CMMB内置天线与主机板的连接方式
CMMB内置天线通常有以下几种连接方式:
(1)触点焊接式:
CMMB内置天线一般采用此种形式,通常以弹片焊接方式与电路板对接,即电路板上以焊接方式安装天线弹片触点,然后将天线直接扣压到触点上完成对接
(2)表面贴装:
LTCC天线可以采用SMD表面焊接。
(3)电缆线连接方式:
用微型U.FL/I-Pex连接器或直接焊接,当使用较长电缆线时,信号在电缆中的传输损耗是很重要的因素,其数值可能达到几分贝。
1.3CMMB天线的关键射频指标
1.3.1天线驻波比
天线输入阻抗是以接收机与天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。
天线输入阻抗和馈线的特性不一致时,产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成的磁波,其相邻电压的最大值和最小值之比是电压驻波比。
当天线的阻抗不匹配时,将导致大量的信号反射,使天线效率降低。
1.3.2天线效率
天线效率的定义是输入总功率与辐射至空间中总功率的比值,比值愈高代表辐射装置,如天线,的收发性能愈好。
1.3.3工作频率与带宽
CMMB工作频段为470-798MHz,每个频点带宽8MHz。
1.3.4波束方向图
天线波束方向图是用来描述由天线所辐射出的能量在空间中任意位置的相互关系,由方向图可以得知天线所辐射出来的电磁波在空间中每一个位置的相对强度或绝对强度。
1.4CMMB内置天线应用方案
CMMB内置天线可认为是电小天线的一种,电小天线是带小辐射电阻的电抗性组件,应用时除了调谐,及调整匹配问题之外,因其高电抗性,故其为高Q值,而工作频带便较窄。
为了解决这一矛盾,就需要增加能够起到匹配作用的电路或者模块,改变CMMB内置天线的原有电特性。
天线匹配实现方式也有多种,常见的包括LNA方式,电调谐方式,有源天线匹配模块方式等。
1.4.1无源天线方案
该方案由天线和匹配网络组成,信号经过天线和匹配网络,直接输入到CMMB接收芯片。
该方案对天线的性能要求较高。
图5:
无源天线解决方案框架
1.4.2LNA方案
低噪声放大器,其主要技术指标包括:
噪声系数、功率增益、输入输出驻波比、反射系数和动态范围等。
选择低噪声放大器时,在兼顾其他各指标的同时,主要考虑噪声系数。
LNA可结合相应的滤波网络实现整个CMMB频段的信号放大,该方式需要外接器件较多,调试较复杂。
图6:
内置天线LNA解决方案框架
1.4.3电调谐方案
利用开关二极管或可调电容等特性实现多频段切换,具体实现时需要控制电压,甚至与芯片需做沟通,故电路设计及软硬件整合实现上比较复杂。
图7:
内置天线电调谐整体解决方案框架
1.4.4有源天线匹配模块方案
该方案利用厂商专门设计的CMMB全频段匹配模块,提高了输入到CMMB芯片的信号电平,降低系统噪声,提高系统信号信噪比,从而提高系统灵敏度。
该方案外围元件少,全频段灵敏度稳定,调试方便。
随着FPC天线联合有源天线匹配模块形成的内置天线方案逐步完善,该方案的各项射频指标实测数值较易达到CMMB标准的要求。
图8:
内置天线有源模块解决方案框架
2CMMB内置天线应用中重点考虑的问题
2.1手握位置和外壳对天线设计的影响
B置有案例表明,手握会提示天线性能,改善接收灵敏度。
______________________________________________________________________________________________________人体对CMMB天线性能的影响主要是人体对天线的远区辐射方向图、输入阻抗、辐射效率、反射系数等方面的影响。
手握位置的影响与天线的类型有关。
对于外置式天线而言,其影响比较小,对于内置式天线则较大。
这是因为内置天线与手持的部位较近,手的存在改变了天线的边界条件。
所以在设计天线的时候,要考虑到此点,尽量选在远离人手习惯握住的位置,但也有案例表明,适当的手握会提升CMMB天线性能,改善接收灵敏度,这需要前期经验积累和仿真进行评估。
由于终端内置天线对其附近的环境比较敏感,因此,外壳的设计和天线性能有密切关系。
外壳的表面喷涂材料尽量不要含有金属成分,壳体靠近天线的周围尽量不要设计金属装饰件或电镀件。
2.2LCD模块对内置天线的影响
由于LCD模块工作频率较高、电子噪声较易辐射,在设计整机时,要尽量避免LCD及其驱动模块的电子噪声辐射对内置天线造成的影响。
在设计时,可以从以下几个方面考虑:
(1)加强LCD模块的屏蔽和接地。
(2)加强LCD驱动模块和FPC的屏蔽。
(3)内置天线尽量远离LCD的相关模块。
2.3内置天线与CMMB射频前端的匹配
CMMB天线需要与射频前端匹配,这种匹配主要是阻抗的匹配。
当宽频方式工作之下,由于匹配电路在不同的频段下具有不同的阻抗特征,匹配网络需进行最优化匹配,而全频段的理想目标阻抗是50欧姆。
图9:
天线匹配电路
一般采用T型或∏型网络进行匹配。
可以达到较好的匹配效果。
所以需要在射频前段预留T型或∏型网络。
在设计中,尽量缩短天线和匹配网络之间,匹配网络和LNA器件之间的走线距离。
2.4终端内导电体对内置天线特性的影响
CMMB内置天线对于周边的金属材质十分敏感,例如电路板上的接地点或屏蔽金属片都会影响到天线的辐射特性。
此外,孤立金属作为无源散射体也对CMMB天线的电特性亦有影响。
因此在设计天线时候,必须留有足够的净空区。
天线在CMMB终端结构中的位置决定了其在终端中的电特性。
如果CMMB天线的位置设计或天线周围的结构设计不好,往往会带来相当大的负面影响。
图10:
天线摆放位置及净空要求
对于天线周围的结构的要求是:
在上图净空区的范围内,最好不要有或尽量远离屏蔽盒等金属物质,否则会引起天线与屏蔽盒之间的互耦,降低天线的效率,而且匹配效果往往较差。
关于内置天线的PCB馈电的布线,要求点如下:
(1)天线馈电点下方的所有PCB层尽可能不要覆铜。
(2)天线馈电点尽可能远离周围的金属或地。
2.5CMMB内置天线对PCB布板设计要求
(1)PCB布板应满足数字、模拟、射频、铺地、隔离等EMC基本要求;
尽量减少其他电路对射频电路的影响,若有干扰较大电路存在时,需加屏蔽盖。
(2)为了减少反射,内置天线与有源天线匹配模块的走线(50欧)应尽量短;
布局时RF走线最好以直线形式进入模块;
如不能形成直线,拐弯处可做45度或圆弧处理,并且周围用适量的接地导孔包裹RF走线,且满足3W原则。
(3)有源天线匹配模块下方(第一层)及参考层地(如第二层)需要全部进行铺铜,保持接地良好及参考层完整;
模块下方及周围尽量不要有与射频无关的线及过孔,以免引入过多干扰。
(4)有源天线匹配模块射频输入和输出端需留有∏型匹配电路,方便调适。
(5)为了减小电源噪声对有源天线匹配模块的影响,模块尽量单独供电,不要与MCU、FLASH等共电源;
模块VDD输入端需就近串联磁珠和并联去耦合电容。
3CMMB天线的测试
3.1CMMB天线的测试项目
电气性能的一般性测试包括如下几项:
(1)驻波比测试
(2)天线效率
(3)方向图测试(包括E面和H面)
3.2CMMB天线的测试设备
3.2.1微波暗室
图11为微波暗室,用于天线方向图的测试。
其主要作用包括:
(1)微波暗室可以屏蔽外界的干扰。
(2)微波暗室有吸波材料,不会引起电磁散射从而避免了多径效应。
图11:
微波暗室
3.2.2标准的喇叭口天线
图12:
喇叭天线
标准的喇叭口天线主要是用来发射射频信号的。
它的增益比较高,故可以降低对信号源的要求。
3.2.3矢量网络分析仪
矢量网络分析仪是设计天线的最重要的测试工具之一。
其可以用来测试CMMB天线的驻波比,测试射频电路输入输出阻抗。
如下图所示:
图13:
矢量网络分析仪
3.3CMMB整机终端性能测试要求
CMMB终端各式各样,功能上都是基于CMMB接收解调芯片对RF信号进行解调,在显示终端的配合下为用户呈现各类电视节目。
一个CMMB终端的接收性能取决于各个环节:
射频前端,解调处理模块,解码处理模块以及整机性能。
相关的测试项目及标准如下表所示。
(注:
本表引用了国家广播电影电视总局广播电视规划院“移动多媒体广播接收解码终端”入网检测报告中的“整机性能要求”部分;
中国移动通信企业标准《手机电视终端CMMB性能测试规范》的五个测试项目分别摘取了本表中的第1、4、9、10、11项测试)
表二:
CMMB终端测试项目及标准
序号
No.
检测项目
TestParameters
单位
Unit
参考技术要求
ReferencedSpecifications
1
最低接收场强
530MHz
dBμV/m
≤57
666MHz
754MHz
2
载噪比门限
(加性高斯白噪声信道)
dB
≤3
3
(静态多径信道)
≤4.9
4
(静态等场强两径信道)
≤7
5
(动态多径信道)
≤7.7
6
抗同频CMMB数字干扰
(中心频率530MHz)
≤6
7
抗邻频CMMB数字干扰
上邻频
522MHz
≤-35
下邻频
538MHz
8
抗同频地面数字电视干扰(530MHz)
≤5
9
抗邻频地面数字电视干扰
≤-30
10
抗邻频模拟干扰
上邻频519.25MHz
≤-42
下邻频535.25MHz
11
抗同频模拟干扰
≤-8.5
注:
整机性能参数测量的关键参数配置如下:
(1)调制参数设定为QPSK;
(2)LDPC编码设定为1/2。
3.4CMMB终端整机灵敏度(最低接收场强)测量方法
广播电视接收机的整机灵敏度以最低接收场强(Minimumfieldstrength)[1]来定义,最低接收场强最初引用自广播电视的覆盖和频率规划标准[2],指的是使被测终端能正常接收、解调并播放广播电视节目所需的空间最小电场强度值,该值越小,接收终端的灵敏度越高。
CMMB终端整机灵敏度的测量方法参照GD/J019-2008[3]第5.19.2小节,摘录如下:
图14:
整机最低场强测试示意图
整机最低接收场强测量步骤如下:
(1)如图14所示连接测量系统;
(2)CMMB信号源发送CMMB射频信号,承载测试图像序列的业务逻辑信道配置为符合GY/T220.1-2006规定的工作模式;
(3)以适当步进调整CMMB信号源输出RF信号电平,直至终端达到失败判据;
(4)使用频谱分析仪测量并记录RF中心频率±
4MHz频带内的接收信号电平(平均次数50),记为C(dBm),根据电波暗室场强校准曲线换算得到最低接收场强E(dBμv/m);
(5)改变CMMB信号源射频输出频率至下一测试频点,重复步骤
(2)~(5)。
在测试过程中,需要注意以下几点:
(1)该测试失败判据目前使用主观评判方法,见GD/J019[3]第4.4.1小节;
(2)该测试宜在电波暗室中进行,以保证测试结果的稳定和可重复性;
(3)在测试开始前,需要使用半波偶极子天线对测试系统和电波暗室内放置被测终端处的电场强度进行校准(该半波偶极子天线的天线系数已知):
事先在欲放置被测CMMB终端的位置,根据实际测试时的发射天线极化方向放置半波偶极子天线,使之极化匹配,并根据待测频点对半波偶极子的振子长度进行调谐,从半波偶极子接收功率与其天线系数可得到该位置的电场强度,因而可以得到发端发射天线入口处功率(从频谱分析仪得到)与电波暗室内该位置形成的场强之间的对应关系。
4CMMB内置天线开发流程
CMMB内置天线开发流程和传统手机内置天线开发流程相似,需要从终端组件模块布局与结构设计阶段就进行相关的设计考虑。
在整个开发过程中,CMMB内置天线方案商具有重要的作用,其参与完成与CMMB内置天线相关的重要工作,一般包括以下几个方面:
a)CMMB内置天线:
可由专业天线方案商协作完成。
专业天线方案商将根据终端厂家的要求,对CMMB内置天线进行打样、生产。
b)有源天线匹配模块:
可由内置天线方案商提供,并保证CMMB射频性能指标。
c)CMMB芯片:
可由专业芯片设计生产厂商提供。
专业芯片设计生产厂商提供CMMB芯片的同时提供配套软件,并负责在终端上实现CMMB功能。
d)调试环境:
可由终端厂家自行构建,也可由内置天线方案商提供;
另外,也可寻求第三方测试机构的协助。
4.1结构设计阶段
●终端外形的设计可由终端厂商自行或委托其他专业设计厂家完成,由终端厂商确认终端外形及内部结构。
●CMMB内置天线方案商参与测试并确认天线的摆放位置、形状、净空等信息。
4.2原理图设计阶段
●终端厂商根据整个终端的规格需求,遴选方案,完成原理图设计。
●CMMB芯片厂商完成CMMB芯片部分的原理图。
●CMMB内置天线方案商参与确认CMMB射频部分的原理图。
4.3PCB布局布线阶段
●终端厂商根据已经确认了的终端外形和内部结构开展PCB布局布线设计。
●CMMB芯片部分电路的布局布线,与CMMB芯片厂商交流完成。
●CMMB射频部分电路布局布线,与CMMB内置天线方案厂商一同完成。
4.4产品制作和调试阶段
●内置天线方案商确认天线性能指标达到设计要求。
●终端厂商对定制的天线和PCB以及其他所需物料,组织样机制作,完成对CMMB功能的初步调试。
●终端厂商将样机交与CMMB内置天线方案商,由其组织对样机进行CMMB射频各项指标的调试。
4.5产品验收阶段
●CMMB内置天线方案商将调试完毕的样机返还给终端厂商。
●终端厂商可自行安排验收(比如实际播放效果、道路实测)或交与第三方认证机构(经运营商认证的测试机构)进行测试验收。
4.6CMMB内置天线开发合作流程图
图15:
CMMB内置天线开发合作流程图
5参考文献
[1]ITU-RBT.1368-8:
PlanningcriteriafordigitalterrestrialtelevisionservicesintheVHF/UHFbands
[2]GY/T237-2008.VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则[S].国家广播电影电视总局规划院,2008.
[3]GD/J019-2008:
移动多媒体广播接收解码终端测量方法(暂行)
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- CMMB 终端 内置 天线 设计 参考手册 V10