5G智能手機(jī)關(guān)鍵組成技術(shù)（一）天線技術(shù)
Labs 導(dǎo)讀
5G智能手機(jī)牽涉到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級(jí)，它和4G手機(jī)的區(qū)別在什么地方，哪些技術(shù)又會(huì)在5G智能手機(jī)的普及當(dāng)中起到關(guān)鍵作用，下面我們來(lái)淺談一下，5G智能手機(jī)關(guān)鍵組成技術(shù)(一)——天線。
1、手機(jī)，到底是怎么組成的
通常意義上，手機(jī)大致可分兩種，一種是功能機(jī)(Feature Phone)，基本上只有打電話、彩短信功能，如當(dāng)年Nokia、Motorola就是功能機(jī)時(shí)代的霸主，時(shí)過(guò)境遷現(xiàn)在只有在特定領(lǐng)域出現(xiàn)或是老人機(jī)等形式存在;另一種就是自iPhone誕生之后更為常見(jiàn)的智能手機(jī)(Smart phone)，現(xiàn)以iPhone、Samsung及華米OV為代表。隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)由承載簡(jiǎn)單功能向同時(shí)可支持話音、數(shù)據(jù)、音樂(lè)、視頻等富媒體方向發(fā)展，同時(shí)可以擴(kuò)展安裝各種各樣的應(yīng)用APP來(lái)滿足人們各種需求。
為了方便大家理解，我們做了一個(gè)簡(jiǎn)化和抽象的示意圖。如下，現(xiàn)如今一部可支持打電話、發(fā)短信、各種上網(wǎng)服務(wù)并支持各種APP應(yīng)用的智能手機(jī)，通常至少應(yīng)該包含六個(gè)部分：天線、射頻、基帶及應(yīng)用處理器、軟件、外設(shè)及電源管理。下圖是最基本的原理示意，可以說(shuō)是缺一不可，正基于此，接下來(lái)我們分別做進(jìn)一步介紹，限于篇幅，本文將首先圍繞天線部分展開(kāi)。
2、現(xiàn)在的智能手機(jī)還用得到天線嗎
天線是無(wú)線電波發(fā)射或接收用的一種裝置，其功能主要在電磁場(chǎng)基本原理下，通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)換，完成電磁波的輻射和接收。具體過(guò)程就是將發(fā)射機(jī)輸出的電路信號(hào)能量轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去，或?qū)⒖臻g電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電路信號(hào)能量送給接收機(jī)。換句更容易理解點(diǎn)兒的話說(shuō)，天線的工作就是完成我們常說(shuō)的信號(hào)的發(fā)送和接收。
一般情況下，天線是一根具有指定長(zhǎng)度的導(dǎo)線，長(zhǎng)度多為波長(zhǎng)的1/4~1/2，因此傳播頻率越高，天線的長(zhǎng)度越短。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從最初的1G/2G發(fā)展到如今的4G/5G系統(tǒng)，手機(jī)支持的通信頻率也逐漸達(dá)到了GHz頻段，于是手機(jī)天線的尺寸也經(jīng)歷了從大到小，從外置到內(nèi)置的變化。與此同時(shí)，終端也由功能機(jī)時(shí)代到了智能機(jī)時(shí)代，而且手機(jī)生產(chǎn)制造工藝在不斷進(jìn)步，消費(fèi)者對(duì)于手機(jī)產(chǎn)品外形美觀和成本等因素也日益重視，手機(jī)不斷向小型化、智能化、輕薄、窄邊框方向發(fā)展。
3、什么是天線最基本的衡量指標(biāo)
天線的設(shè)計(jì)經(jīng)常受到手機(jī)外形、結(jié)構(gòu)、電路板布局、金屬件等因素影響，開(kāi)發(fā)難度日益加大。手機(jī)天線的設(shè)計(jì)已經(jīng)不是局部問(wèn)題，早已成為手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成，不僅要充分考慮天線類(lèi)型、饋電方式以及天線在設(shè)備中的擺放方式，還要兼顧寬頻段、高效率、低SAR值、隔離度等技術(shù)要求。不僅需要滿足天線的基本射頻性能指標(biāo)，包括方向性、阻抗、極化、駐波比、回波損耗、增益、效率等，還需要滿足移動(dòng)終端產(chǎn)品整機(jī)射頻性能指標(biāo)的要求。比如與手機(jī)天線密切相關(guān)的主要測(cè)試指標(biāo)包括OTA測(cè)試指標(biāo)、SAR測(cè)試指標(biāo)和EMC測(cè)試指標(biāo)。
注：
- OTA測(cè)試指標(biāo)主要是對(duì)終端產(chǎn)品工作頻段內(nèi)的輻射性能和接收性能進(jìn)行測(cè)試，主要包括 TRP(總輻射功率)和TIS(總接受靈敏度)兩個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)。
- SAR(電磁波吸收比值)測(cè)試指標(biāo)和EMC(電磁兼容)測(cè)試指標(biāo)為政府強(qiáng)制入網(wǎng)指標(biāo)。SAR測(cè)試指標(biāo)主要反映終端產(chǎn)品對(duì)人體輻射程度，對(duì)該指標(biāo)限制目的在于避免過(guò)高輻射強(qiáng)度可能對(duì)人體安全造成的傷害;EMC測(cè)試指標(biāo)主要反映終端產(chǎn)品帶外輻射是否超出規(guī)定指標(biāo)，影響到其他頻段內(nèi)電子設(shè)備的正常工作。SAR 測(cè)試指標(biāo)和EMC測(cè)試指標(biāo)越小，對(duì)人體安全影響和其他頻段內(nèi)產(chǎn)品正常使用影響越小。
4、手機(jī)天線種類(lèi)及設(shè)計(jì)中遇到的困難和挑戰(zhàn)
目前常見(jiàn)的手機(jī)天線設(shè)計(jì)多以外殼注模，金屬支架和FPC天線三種方式為主。特別是之前以iPhone手機(jī)金屬外殼為代表，逐步將天線注塑在金屬外殼上，在手機(jī)內(nèi)部則使用少量的金屬支架天線。
伴隨2G/3G/4G/5G移動(dòng)通信技術(shù)一路演進(jìn)和多網(wǎng)絡(luò)并存，智能手機(jī)及擴(kuò)展應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，所需要支持的通信頻段和無(wú)線連接方式也越來(lái)越多，尤其高端旗艦手機(jī)要一機(jī)走遍全球，至少要支持超過(guò)40個(gè)以上的通信頻段。更為嚴(yán)重的是，智能手機(jī)中的天線還在變得更多，手機(jī)天線概念也不僅限于滿足移動(dòng)通信，越來(lái)越輕薄的尺寸中還需要容納和支持越來(lái)越多的天線，如Wi-Fi天線、Bluetooth天線、GPS天線，NFC天線等各種無(wú)線連接方式，甚至現(xiàn)在逐漸流行的無(wú)線充電，用的充電線圈也是一種天線，手機(jī)天線需要支持的頻段和數(shù)量種類(lèi)也不斷增多，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)難度越來(lái)越高。
另一方面的挑戰(zhàn)來(lái)自于屏幕，這些年智能手機(jī)的持續(xù)創(chuàng)新之一就是始終圍繞提高屏占比而努力，制造商們開(kāi)始推出更輕薄、無(wú)邊框設(shè)計(jì)屏幕和18:9屏幕高寬比的全面屏手機(jī)。因?yàn)樘炀€必須置于屏幕區(qū)域之外，可用于天線設(shè)計(jì)的面積因此減少50%以上，同時(shí)屏幕頂部和底部的邊框?qū)挾葴p少到3-4 mm，更由于屏幕高寬比的變化，手機(jī)也開(kāi)始變得更窄，這些變化都意味著手機(jī)天線必須變短，進(jìn)而影響性能。
天線面積和長(zhǎng)度的減少會(huì)直接影響性能和效率，其發(fā)送和接收性能勢(shì)必遭受影響，也帶來(lái)各種弊端，包括縮短電池續(xù)航時(shí)間短、輻射范圍變小、速率變低等。
目前4G通信的頻段是2.6GHz，而5G主力使用的通信頻段也在6GHz以下，因此當(dāng)前支持5G低頻Sub-6頻段在手機(jī)天線尺寸上不會(huì)與4G有較大變化，多為天線組合數(shù)量上的變化。如4G手機(jī)一般需要4-6根天線，5G手機(jī)已普遍超過(guò)10根天線。以華為Mate30為例，手機(jī)天線甚至已多達(dá)21根天線。當(dāng)然，這里并不像華為余承東總說(shuō)的這21根都是用作5G，就像上文所說(shuō)，這里其中2根給GPS用，2根給Wi-Fi的2.4G用，2根給Wi-Fi的5G用，1根給NFC用，除此外的14根才是真正的移動(dòng)通信天線，支持5G、4G及一系列通信制式的組合。
5、如何看今后手機(jī)天線設(shè)計(jì)之趨勢(shì)
隨著手機(jī)內(nèi)部空間進(jìn)一步壓縮緊湊，很難再找到一塊平整的平面用于天線設(shè)計(jì)。目前為了控制成本，一些中低端手機(jī)仍在大量使用FPC(柔性電路板，可以理解為類(lèi)似手機(jī)排線樣式的天線)天線，但FPC加工精度，粘結(jié)工藝等，信號(hào)的質(zhì)量并不穩(wěn)定，但其優(yōu)點(diǎn)也不應(yīng)該被忽視，那就是FPC天線可折疊，可彎曲成任意的形狀，可以應(yīng)對(duì)人們對(duì)便攜設(shè)備尺寸和設(shè)計(jì)的更高要求。因此，為了發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又避免其存在的部分劣勢(shì)，業(yè)內(nèi)逐漸引入具有很好高頻特性LCP材質(zhì)的FPC天線并加以重視。
由于5G對(duì)天線的精度和可靠性有更高的要求，LDS(Laser-Direct-structuring)天線技術(shù)已是手機(jī)天線設(shè)計(jì)的首選方案。LDS技術(shù)是利用激光鐳射直接在成型的塑料支架上鍍成金屬天線形狀，該技術(shù)避免了手機(jī)內(nèi)部元器件的電磁干擾，保證了手機(jī)的信號(hào)，同時(shí)也增強(qiáng)了手機(jī)的空間的利用率，使得智能手機(jī)在5G時(shí)代仍然可以保持一定程度的纖薄。
相比于目前Sub-6GHz的5G頻段或是即將引入的700M 5G頻段，未來(lái)5G毫米波的商業(yè)化引入才是對(duì)手機(jī)天線設(shè)計(jì)的極大挑戰(zhàn)。5G毫米波之所以成為毫米波，是因?yàn)閹资瓽Hz的頻率導(dǎo)致其波長(zhǎng)已經(jīng)縮減到了毫米級(jí)。波長(zhǎng)的大幅度減小帶來(lái)的問(wèn)題是電磁波繞射能力變差，衰減變得異常明顯。
為改善高頻帶來(lái)的衰減問(wèn)題，從空間傳播上可以用MIMO多天線和波束賦形來(lái)解決，但是在手機(jī)內(nèi)部為了保證信號(hào)的完整性，需要將射頻前端盡可能靠近毫米波天線，而毫米波天線的小尺寸，給天線和射頻前端、收發(fā)器等器件共同封裝提供了可能，狹長(zhǎng)的芯片形狀便于直接嵌入手機(jī)邊框里。
如上圖，高通最新發(fā)布的毫米波天線模組里面包含了超小尺寸的相控天線陣列，該天線模組支持波束賦形、控制和跟蹤，大大改善了毫米波信號(hào)的傳輸范圍和可靠性。當(dāng)然，毫米波天線模組相較于過(guò)去非標(biāo)準(zhǔn)化的天線，這種標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)帶來(lái)了諸多便利，但依然要面對(duì)手機(jī)內(nèi)部狹小空間的布局挑戰(zhàn)。
5G手機(jī)天線設(shè)計(jì)相比于過(guò)去難度更大，不僅要考慮無(wú)線技術(shù)本身，還要考慮與電池、攝像頭、聲音喇叭、顯示屏、指紋識(shí)別芯片、無(wú)線充電項(xiàng)圈等系統(tǒng)兼容，同時(shí)兼顧在狹小的方寸間有效解決多天線布局問(wèn)題。
綜上可見(jiàn)，天線盡管平常并不起眼，但其設(shè)計(jì)及性能卻直接關(guān)乎了手機(jī)的產(chǎn)品體驗(yàn)。
專(zhuān)題未完待續(xù)……
【本文為51CTO專(zhuān)欄作者“移動(dòng)Labs”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】
