網(wǎng)絡(luò)信號全靠它淺析智能手機(jī)的天線設(shè)計

來自5G手機(jī)的變化

三星Galax丫S10和小米MIX3都同時存在4G版和5G版（圖1），它們不僅售價大幅提升，GalaxyS10 5G版（4500mAh）的電池容量也要比Galaxy S10+4G版（4100mAh）多了400mAh，而小米MIX3 5G版（3800mAh）的電池也比4G版（3300mAh）增加了500mAh，加大的電池就是為了應(yīng)付更大的5G功耗。

此外，5G手機(jī)在機(jī)身材質(zhì)的選擇上還將徹底摒棄全金屬一體化的設(shè)計，全面改用玻璃或塑料材質(zhì)后蓋，從而確保5G信號的接收強(qiáng)度，為超過2Gbps的下行速率奠定堅實的物理基礎(chǔ)。那么，5G手機(jī)為何價格和功耗更高，對信號溢出的要求更加苛刻？

射頻與天線成核心

在3G和4G時代，Modem（調(diào)制解調(diào)器，又稱基帶）是決定手機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能的核心元件（圖2）。到了5G時代，射頻（電路）與天線（設(shè)計）將進(jìn)一步成為與Modem并列的核心，且更加考驗手機(jī)廠商的研發(fā)實力。

所謂“射頻電路”即手機(jī)內(nèi)部接收通路、發(fā)射通路和本振電路組合的統(tǒng)稱，再往下分還可擴(kuò)展出射頻收發(fā)信機(jī)芯片、射頻收發(fā)信機(jī)電源管理芯片、天線、天線開關(guān)、濾波器、高放管、中頻集成塊、頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器等諸多模塊。其中，天線設(shè)計又將成為重中之重，它將影響手機(jī)能支持多少頻段以及可以實現(xiàn)的最高上/下行速率。

需要注意的是，天線的工作原理是通過電場和磁場的相互轉(zhuǎn)換，完成電磁能量的輻射和接收。除了2G、3G、4G乃至5G移動通訊信號以外，Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS、NFC和無線充電（線圈）等功能同樣需要天線來作為接收和發(fā)送信號的載體。隨著手機(jī)越來越薄、屏占比越來越高，想在有限的空間里讓這些用途不同的天線和睦相處并非易事。因此，在了解5G對天線提出的新要求之前，咱們不妨先來回顧一下智能手機(jī)天線在這些年的變化。

5G之前的天線設(shè)計

還記得最早的手機(jī)天線是什么樣子的嗎？沒錯，它就長在手機(jī)的“腦袋”上，就好像如今路由器的天線一般裸露在外（圖3），以今天的眼光來看非常影響觀瞻。1999年，諾基亞3210終于“干掉了”這個突兀的存在，首次在手機(jī)領(lǐng)域引入了內(nèi)置天線設(shè)計，并一直延續(xù)至今。只是，從功能機(jī)再到如今的最新款智能手機(jī)，其內(nèi)置天線的材料、位置和工藝都出現(xiàn)了質(zhì)的變化。

FPC柔性天線參上

功能機(jī)時代的天線咱們就不說了，以iPhone1為代表的早期智能手機(jī)大都采用了名為“FPC”（Flexible PrintedCircuits，柔性電路板）的內(nèi)置天線工藝，它是一種可靠性很高、輕薄、彎折性好的印刷電路板（圖4）。和傳統(tǒng)的由金屬彈片+塑料支架組成的天線相比，F(xiàn)PC具備易于修改、模具開發(fā)成本低的優(yōu)勢（圖5），裝配時FPC只要貼在材料表面上即可，直到如今還有不少手機(jī)的NFC天線依舊采用FPC工藝。

來自金屬中框的嘗試

早期智能手機(jī)為了提升檔次，質(zhì)感廉價的塑料肯定不符合要求。在iPhone 4時代，蘋果開始引入不銹鋼材質(zhì)的金屬邊框，結(jié)合前后玻璃面板堪稱同期手機(jī)中的“顏值擔(dān)當(dāng)”。iPhone 4的天線設(shè)計比較奇葩，它在金屬邊框內(nèi)焊接了形狀復(fù)雜的金屬片，從而讓邊框充當(dāng)了天線的作用。

問題來了，金屬材質(zhì)對信號有著極強(qiáng)的屏蔽作用，iPhone 4為了讓各種信號能透過金屬邊框，還特意在邊框上開了2道縫隙（兩段式方案）用于信號的溢出。然而，這種設(shè)計依舊存在嚴(yán)重的Bug——當(dāng)緊握手機(jī)下部時，可能引起兩段式天線的連接處發(fā)生短路，從而導(dǎo)致信號質(zhì)量嚴(yán)重縮水，這個問題在當(dāng)年被稱為“死亡之握”（圖6）。為了解決這個Bug，蘋果曾建議iPhone 4的用戶使用保護(hù)套加以趨避，并給隨后的Phone 4S的金屬邊框增加了1道縫隙（圖7），還借助三段式方案和接收分集功能不再受死亡之握的困擾。

至此，手機(jī)廠商們都認(rèn)識到了金屬材質(zhì)和信號之間的矛盾關(guān)系，凡是采用金屬邊框的手機(jī)都會在邊框上預(yù)留幾道縫隙;采用金屬后蓋時也會選擇三段式機(jī)身設(shè)計，即中間為金屬，上下兩端為塑料;采用全金屬一體化的機(jī)身時，也都會留有納米注塑工藝的信號條設(shè)計（圖8），用來減小手持對天線接收信號的影響。

LDS天線漸成趨勢

在智能手機(jī)熱衷引入金屬材質(zhì)，以及手機(jī)機(jī)身越加輕薄之際，F(xiàn)PC工藝天線在性能和可靠性上都很難符合要求。此時另一種匕DS（LaserDirect Structuring，激光直接成型）的內(nèi)置天線工藝就浮出了水面。

LDS可以利用計算機(jī)按照導(dǎo)電圖形的軌跡控制激光的運動，將激光投照到注塑成型的三維塑料器件上，從而鍍上厚度為5微米到10微米的金屬層，最終實現(xiàn)材料的三維電路。簡單來說，LDS就是一種可以在塑料材質(zhì)上進(jìn)行化鍍并形成金屬天線圖案的技術(shù)，它比FPC的精度更高，穩(wěn)定性更好，可以直接在金屬（或玻璃）后蓋內(nèi)層的塑料支架上鍍上各種天線圖案（圖9），從而大大節(jié)約手機(jī)內(nèi)部空間，并可防止內(nèi)部器件相互干擾。

全面屏的凈空困局

當(dāng)智能手機(jī)步入全面屏?xí)r代后，眾多新品開始追求“屏占比”這一參數(shù)，至此全面屏手機(jī)紛紛展開了“額頭”和“下巴”邊框的“殲滅戰(zhàn)”。問題來了，智能手機(jī)的各種天線恰好就位于上下邊框附近，為了避免天線與其他元器件之間相互干擾，需要留出足夠的“天線凈空區(qū)”。

在傳統(tǒng)16：9屏幕時代，留給天線的凈空區(qū)多在7mm到10mm之間，而到了全面屏?xí)r代，凈空區(qū)就只剩下3mm到5mm（圖10）。按照傳統(tǒng)思路，這點空間很難解決天線和其他元器件之間的干擾，以及發(fā)揮4G網(wǎng)絡(luò)的性能潛力（需要500平方毫米的天線面積）。

此時，就需要LIDS工藝天線和其他技術(shù)與材料的協(xié)同作戰(zhàn)了。比如，引入LCP這種低耗損的柔性材料代替同軸電纜實現(xiàn)與線路板的轉(zhuǎn)接、通過開源等方式提升射頻單元的功率、使用更多更優(yōu)的電調(diào)諧器件，而更有效的解決方案，就是利用LIDS將天線和其他元器件合為一體，比如覆蓋PCB表面的塑料襯板（圖11）、揚聲器單元表面都能用于鍍上天線圖案（圖12）。

5G時代的天線設(shè)計

早在驍龍835/845和麒麟970時代，不少高端手機(jī)就借助4CA（載波聚合）技術(shù)和4X4 M}MO（多輸入多輸出天線陣列）技術(shù)獲得了超過1Gbps的下行速率，從而邁入了4.5G網(wǎng)絡(luò)的門檻。到了5G網(wǎng)絡(luò)時代，其對下行速率的最低要求也是2Gbps起（理論最高可達(dá)20Gbps），同時還需要具備更低的延遲且支持萬物互聯(lián)。

問題來了，想實現(xiàn)上述5G網(wǎng)絡(luò)的特有屬性，需要無線電波的波長是毫米數(shù)量級的“毫米波”，而毫米波與4G網(wǎng)絡(luò)使用的“厘米波”相比信號衰減得非常厲害，在不能隨意增加發(fā)射功率（安全上不允許）的前提下，唯有盡可能減少手機(jī)機(jī)身材料對信號的屏蔽影響，并進(jìn)一步增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量。在這個大環(huán)境下，傳統(tǒng)的全金屬一體化機(jī)身設(shè)計自然就得徹底退出歷史舞臺了，以玻璃和陶瓷為主的材料將成為新款手機(jī)中的香悖悖。

5G手機(jī)的售價為何更加昂貴？這背后所體現(xiàn)的，就是全新天線陣列的成本和設(shè)計難度了。比如，高通就為驍龍855移動平臺和驍龍X55調(diào)制解調(diào)器準(zhǔn)備了型號為QTM052的mmWave毫米波天線模塊，它集5G無線電收發(fā)器、電源管理}C、RF前端和相控天線陣于一身，實現(xiàn)了一度難以想象的小型化設(shè)計（圖13）。高通表示，要想提高設(shè)備應(yīng)對信號衰減和抗干擾的能力，一款5G手機(jī)上最多可以安裝4個QTM052模塊，其背后的成本最終都要轉(zhuǎn)嫁到消費者頭上。

此外，作為第一批邁入4.5G時代的三星Galaxy S8（2017年發(fā)布），其內(nèi)部用于移動通信的天線就達(dá)到了5根，包括2根主天線、2根分集天線和1根載波聚合天線，其中主天線和分集天線恰好可以組成4×4MIMO模式下的接收天線。在5G時代，想實現(xiàn)更高的下行速率4×4 MIMO只是最低門檻，8×8MIMO才是主流，此時保守的天線數(shù)量也要在8根到10根，而第六代Wi-Fi技術(shù)也需要MIMO天線陣列的配合，這就對手機(jī)內(nèi)部天線的走勢布局提出了更高的要求（圖14）。更多的天線和更復(fù)雜的天線陣列，自然也會帶來功耗的提升，而這也就是為何5G手機(jī)普遍都會進(jìn)一步增加電池容量的原因。

小結(jié)

在4G手機(jī)時代，相同規(guī)格的智能手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)性能（下行速率）上基本處于同一個檔次。而5G手機(jī)之間可能就會因天線設(shè)計而出現(xiàn)較大的差異了，目前已知5G手機(jī)的下行速率就存在最低2Gbps和最高4.6Gbps，這些都是需要引起我們重視的指標(biāo)。