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，下面我們來淺談一下，5G智能手機(jī)關(guān)鍵組成技術(shù)（一）——天線。

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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、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，可以說是缺一不可，正基于此，接下來我們分別做進(jìn)一步介紹，限于篇幅，本文將首先圍繞天線部分展開。

手機(jī)抽象結(jié)構(gòu)示意圖

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現(xiàn)在的智能手機(jī)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(chǎng)基本原理下，通過電場(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，天線的工作就是完成我們常說的信號(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(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。

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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：

1、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)。

2、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。

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手機(jī)天線種類及設(shè)計(jì)中遇到的困難和挑戰(zhàn)

目前常見的手機(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。

手機(jī)外殼注塑天線和FPC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線連接方式也越來越多，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(jī)天線需要支持的頻段和數(shù)量種類也不斷增多，設(shè)計(jì)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(jī)的持續(xù)創(chuàng)新之一就是始終圍繞提高屏占比而努力，制造商們開始推出更輕薄、無邊框設(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。

由于屏占比的提高給天線設(shè)計(jì)留下的空間更為狹小

天線面積和長度的減少會(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。

圖源qorvo：天線面積減少直接影響天線效率

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(dòng)通信天線，支持5G、4G及一系列通信制式的組合。

圖源華為發(fā)布會(huì)和Geekbar：華為Mate30手機(jī)21根天線設(shè)計(jì)

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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)致其波長已經(jīng)縮減到了毫米級(jí)。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(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，狹長的芯片形狀便于直接嵌入手機(jī)邊框里。

圖源高通：高度集成化的5G毫米波天線模組

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去非標(biāo)準(zhǔn)化的天線，這種標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)帶來了諸多便利，但依然要面對(duì)手機(jī)內(nèi)部狹小空間的布局挑戰(zhàn)。

高通毫米波天線模組在手機(jī)中集成

5G手機(jī)天線設(shè)計(jì)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(shí)別芯片、無線充電項(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題。

綜上可見，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)。

審核編輯 ：李倩