5G智能手機關(guān)鍵組成技術(shù)（一）天線技術(shù)
Labs 導(dǎo)讀
5G智能手機牽涉到整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級，它和4G手機的區(qū)別在什么地方，哪些技術(shù)又會在5G智能手機的普及當(dāng)中起到關(guān)鍵作用，下面我們來淺談一下，5G智能手機關(guān)鍵組成技術(shù)(一)——天線。
1、手機，到底是怎么組成的
通常意義上，手機大致可分兩種，一種是功能機(Feature Phone)，基本上只有打電話、彩短信功能，如當(dāng)年Nokia、Motorola就是功能機時代的霸主，時過境遷現(xiàn)在只有在特定領(lǐng)域出現(xiàn)或是老人機等形式存在;另一種就是自iPhone誕生之后更為常見的智能手機(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，手機已經(jīng)由承載簡單功能向同時可支持話音、數(shù)據(jù)、音樂、視頻等富媒體方向發(fā)展，同時可以擴展安裝各種各樣的應(yīng)用APP來滿足人們各種需求。
為了方便大家理解，我們做了一個簡化和抽象的示意圖。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，通常至少應(yīng)該包含六個部分：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，可以說是缺一不可，正基于此，接下來我們分別做進一步介紹，限于篇幅，本文將首先圍繞天線部分展開。
2、現(xiàn)在的智能手機還用得到天線嗎
天線是無線電波發(fā)射或接收用的一種裝置，其功能主要在電磁場基本原理下，通過電場和磁場的相互轉(zhuǎn)換，完成電磁波的輻射和接收。具體過程就是將發(fā)射機輸出的電路信號能量轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去，或?qū)⒖臻g電磁波信號轉(zhuǎn)換成電路信號能量送給接收機。換句更容易理解點兒的話說，天線的工作就是完成我們常說的信號的發(fā)送和接收。
一般情況下，天線是一根具有指定長度的導(dǎo)線，長度多為波長的1/4~1/2，因此傳播頻率越高，天線的長度越短。移動通信網(wǎng)絡(luò)從最初的1G/2G發(fā)展到如今的4G/5G系統(tǒng)，手機支持的通信頻率也逐漸達到了GHz頻段，于是手機天線的尺寸也經(jīng)歷了從大到小，從外置到內(nèi)置的變化。與此同時，終端也由功能機時代到了智能機時代，而且手機生產(chǎn)制造工藝在不斷進步，消費者對于手機產(chǎn)品外形美觀和成本等因素也日益重視，手機不斷向小型化、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
天線的設(shè)計經(jīng)常受到手機外形、結(jié)構(gòu)、電路板布局、金屬件等因素影響，開發(fā)難度日益加大。手機天線的設(shè)計已經(jīng)不是局部問題，早已成為手機系統(tǒng)設(shè)計的重要組成，不僅要充分考慮天線類型、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，包括方向性、阻抗、極化、駐波比、回波損耗、增益、效率等，還需要滿足移動終端產(chǎn)品整機射頻性能指標的要求。比如與手機天線密切相關(guān)的主要測試指標包括OTA測試指標、SAR測試指標和EMC測試指標。
注：
- OTA測試指標主要是對終端產(chǎn)品工作頻段內(nèi)的輻射性能和接收性能進行測試，主要包括 TRP(總輻射功率)和TIS(總接受靈敏度)兩個分項指標。
- SAR(電磁波吸收比值)測試指標和EMC(電磁兼容)測試指標為政府強制入網(wǎng)指標。SAR測試指標主要反映終端產(chǎn)品對人體輻射程度，對該指標限制目的在于避免過高輻射強度可能對人體安全造成的傷害;EMC測試指標主要反映終端產(chǎn)品帶外輻射是否超出規(guī)定指標，影響到其他頻段內(nèi)電子設(shè)備的正常工作。SAR 測試指標和EMC測試指標越小，對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、手機天線種類及設(shè)計中遇到的困難和挑戰(zhàn)
目前常見的手機天線設(shè)計多以外殼注模，金屬支架和FPC天線三種方式為主。特別是之前以iPhone手機金屬外殼為代表，逐步將天線注塑在金屬外殼上，在手機內(nèi)部則使用少量的金屬支架天線。
伴隨2G/3G/4G/5G移動通信技術(shù)一路演進和多網(wǎng)絡(luò)并存，智能手機及擴展應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，所需要支持的通信頻段和無線連接方式也越來越多，尤其高端旗艦手機要一機走遍全球，至少要支持超過40個以上的通信頻段。更為嚴重的是，智能手機中的天線還在變得更多，手機天線概念也不僅限于滿足移動通信，越來越輕薄的尺寸中還需要容納和支持越來越多的天線，如Wi-Fi天線、Bluetooth天線、GPS天線，NFC天線等各種無線連接方式，甚至現(xiàn)在逐漸流行的無線充電，用的充電線圈也是一種天線，手機天線需要支持的頻段和數(shù)量種類也不斷增多，設(shè)計挑戰(zhàn)難度越來越高。
另一方面的挑戰(zhàn)來自于屏幕，這些年智能手機的持續(xù)創(chuàng)新之一就是始終圍繞提高屏占比而努力，制造商們開始推出更輕薄、無邊框設(shè)計屏幕和18:9屏幕高寬比的全面屏手機。因為天線必須置于屏幕區(qū)域之外，可用于天線設(shè)計的面積因此減少50%以上，同時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，手機也開始變得更窄，這些變化都意味著手機天線必須變短，進而影響性能。
天線面積和長度的減少會直接影響性能和效率，其發(fā)送和接收性能勢必遭受影響，也帶來各種弊端，包括縮短電池續(xù)航時間短、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頻段在手機天線尺寸上不會與4G有較大變化，多為天線組合數(shù)量上的變化。如4G手機一般需要4-6根天線，5G手機已普遍超過10根天線。以華為Mate30為例，手機天線甚至已多達21根天線。當(dāng)然，這里并不像華為余承東總說的這21根都是用作5G，就像上文所說，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、如何看今后手機天線設(shè)計之趨勢
隨著手機內(nèi)部空間進一步壓縮緊湊，很難再找到一塊平整的平面用于天線設(shè)計。目前為了控制成本，一些中低端手機仍在大量使用FPC(柔性電路板，可以理解為類似手機排線樣式的天線)天線，但FPC加工精度，粘結(jié)工藝等，信號的質(zhì)量并不穩(wěn)定，但其優(yōu)點也不應(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)對人們對便攜設(shè)備尺寸和設(shè)計的更高要求。因此，為了發(fā)揮其優(yōu)勢的同時又避免其存在的部分劣勢，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)已是手機天線設(shè)計的首選方案。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)避免了手機內(nèi)部元器件的電磁干擾，保證了手機的信號，同時也增強了手機的空間的利用率，使得智能手機在5G時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5G毫米波的商業(yè)化引入才是對手機天線設(shè)計的極大挑戰(zhàn)。5G毫米波之所以成為毫米波，是因為幾十GHz的頻率導(dǎo)致其波長已經(jīng)縮減到了毫米級。波長的大幅度減小帶來的問題是電磁波繞射能力變差，衰減變得異常明顯。
為改善高頻帶來的衰減問題，從空間傳播上可以用MIMO多天線和波束賦形來解決，但是在手機內(nèi)部為了保證信號的完整性，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，狹長的芯片形狀便于直接嵌入手機邊框里。
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的傳輸范圍和可靠性。當(dāng)然，毫米波天線模組相較于過去非標準化的天線，這種標準化會帶來了諸多便利，但依然要面對手機內(nèi)部狹小空間的布局挑戰(zhàn)。
5G手機天線設(shè)計相比于過去難度更大，不僅要考慮無線技術(shù)本身，還要考慮與電池、攝像頭、聲音喇叭、顯示屏、指紋識別芯片、無線充電項圈等系統(tǒng)兼容，同時兼顧在狹小的方寸間有效解決多天線布局問題。
綜上可見，天線盡管平常并不起眼，但其設(shè)計及性能卻直接關(guān)乎了手機的產(chǎn)品體驗。
專題未完待續(xù)……
【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】
