在剛結(jié)束的MWC 2019上，5G手機(jī)已然紅遍巴塞羅那，成了當(dāng)下最熱門的話題。而對(duì)于每一臺(tái)5G手機(jī)來(lái)說(shuō)，其天線設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。MIMO、載波聚合、波束賦形等5G新技術(shù)的應(yīng)用，將會(huì)為手機(jī)天線的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)一系列新挑戰(zhàn)，而手機(jī)天線的變化又將反過(guò)來(lái)影響5G手機(jī)的整體設(shè)計(jì)。

新技術(shù)推動(dòng)5G天線升級(jí)

天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。

手機(jī)天線發(fā)展時(shí)間線

一般情況下手機(jī)天線長(zhǎng)度一般為波長(zhǎng)的1/4~1/2，因此傳播頻率越高，天線的長(zhǎng)度越短;且對(duì)應(yīng)于不同應(yīng)用將會(huì)使用不同的天線。

目前，3GPP已經(jīng)指定了5G NR支持的頻段列表，主要分為Sub-6(低于6GHz頻段)和毫米波(mmWave，30GHz-100GHz)這兩大頻率范圍。

由于Sub-6與毫米波這些新頻段的加入，5G手機(jī)也勢(shì)必將引入新的天線。

不過(guò)Sub-6和毫米波通信由于本身的頻率差別很大，在手機(jī)天線設(shè)計(jì)上會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

現(xiàn)在美國(guó)、韓國(guó)已經(jīng)為5G劃分毫米波(mmWave)的高頻頻譜，中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商的5G低頻(Sub-6)頻段也已劃分完成，但是中國(guó)對(duì)于毫米波頻段劃分還在征求意見(jiàn)階段。

5G的主要通信技術(shù)有Massive MIMO、載波聚合、波束賦形等，配合這些技術(shù)，終端天線也將發(fā)生一系列的變化。例如，MIMO技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)明顯增加天線數(shù)量。

MIMO技術(shù)簡(jiǎn)單解釋如下：它是通過(guò)使用多個(gè)發(fā)射、多個(gè)接收天線，在單個(gè)無(wú)線信道上同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)數(shù)據(jù)流的技術(shù)，能用于提高移動(dòng)設(shè)備帶寬、增加數(shù)據(jù)吞吐。

5G手機(jī)中的多用戶MIMO技術(shù)

MIMO的階數(shù)代表可以發(fā)送或接收的獨(dú)立信息流數(shù)量，它直接等同于所涉及天線的數(shù)量;階數(shù)越高，鏈路支持的數(shù)據(jù)速率也越高。

MIMO系統(tǒng)通常涉及基站發(fā)射天線數(shù)量以及用戶設(shè)備接收天線數(shù)量。例如，2×2 MIMO意味著同一時(shí)刻在基站有兩個(gè)發(fā)射天線，在手機(jī)上有兩個(gè)接收天線。

單用戶和多用戶MIMO技術(shù)

其實(shí)，歷代的無(wú)線通信技術(shù)都會(huì)使用先進(jìn)的天線技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)速度：

1)3G時(shí)代使用了單用戶MIMO技術(shù)，它從基站端同時(shí)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流給用戶。

2)4G時(shí)代使用的是多用戶MIMO技術(shù)，它為多個(gè)不同用戶分配不同數(shù)據(jù)流，相比于3G大大提高了容量和性能。

3)而5G時(shí)代將會(huì)使用的是大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)技術(shù)，進(jìn)一步將容量和數(shù)據(jù)速率提高到20Gbps。

Massive意指基站天線陣列中的大量天線;MIMO意指天線陣列使用同一時(shí)間和頻率資源滿足空間上分離的多位用戶的需求。

手機(jī)天線發(fā)展史

?從大哥大到小觸屏

從手機(jī)誕生以來(lái)，通信頻率在逐漸從最初的kHz發(fā)展到了GHz頻段，而天線的尺寸也經(jīng)歷了從大到小，從外置到內(nèi)置的變化。

手機(jī)中的不同應(yīng)用所使用的天線

除了通訊功能之外，手機(jī)的Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS、NFC等功能，都需要用到不同的天線，甚至于最近逐漸火起來(lái)的無(wú)線充電，用的充電線圈也是一種天線。

我們先從通訊功能說(shuō)起。最早的手機(jī)天線是四分之一波長(zhǎng)天線，它是一根單獨(dú)的天線，也叫做套筒式偶極天線。

由于最早的1G手機(jī)頻段為800MHz，所以天線的長(zhǎng)度有9.4cm。這種天線已經(jīng)在目前使用的手機(jī)上很難見(jiàn)到，而是被大量的用在無(wú)線LAN接入點(diǎn)上。

20世紀(jì)90年代的2G手機(jī)天線則有兩個(gè)天線單極和螺旋，只能支持單個(gè)頻段。諾基亞1011和摩托羅拉M300只能支持單個(gè)頻段的通信。

1997年，摩托羅拉發(fā)布了首個(gè)雙頻GSM手機(jī)mr601，可以支持GSM900和GSM1800雙頻，因此有螺旋和鞭狀兩根天線。

1999年諾基亞推出了Nokia 3210，是一個(gè)完全內(nèi)置的天線，可以支持GSM900和GSM1800雙頻。

2004年推出的3G Nokia 6630手機(jī)，可以真正意義上支持全球漫游，是第一個(gè)雙模三頻段手機(jī)，所使用的天線也是多天線內(nèi)置。

此后，手機(jī)逐漸往小型化和個(gè)人化發(fā)展，為了配合整體設(shè)計(jì)，天線的設(shè)計(jì)也更加緊湊化。

對(duì)于目前的手機(jī)及來(lái)說(shuō)，印制天線被廣泛用在終端中，相比于其他安裝式天線更加小巧輕薄。從組成上看，印制天線內(nèi)部有介電材料和接地平面，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮高效率、高增益和輻射模式。

出于對(duì)射頻前端及基帶處理的設(shè)計(jì)考慮，目前天線的設(shè)計(jì)方式是針對(duì)不同的應(yīng)用，設(shè)計(jì)成不同的窄帶天線。

而且上文提到，除了通訊功能之外，手機(jī)的Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS、NFC、無(wú)線充電等功能都需要用到不同的天線。

以三星旗艦智能機(jī)S9為例，其內(nèi)部有傳統(tǒng)的移動(dòng)通信主天線(配合高通驍龍845基帶，支持4X4 MIMO、5個(gè)分量載波聚合)，位于手機(jī)的下部和左下部。

GPS天線位于左上部，近場(chǎng)通信天線(NFC，Near Field Communication)和無(wú)線充電線圈在手機(jī)中部。

此外，手機(jī)中還集成了先進(jìn)的磁性安全傳輸線圈(MST，Magnetic Secure Transmission)位于攝像頭附近。MST是一種移動(dòng)支付技術(shù)，是利用手機(jī)發(fā)射信號(hào)來(lái)模擬傳統(tǒng)的磁條卡。

?尺寸不變，數(shù)量增加

目前4G通信的波段是1-2.6GHz，而5G使用的通信頻段也在6GHz以下。因此，使用5G低頻Sub-6頻段的手機(jī)天線尺寸上不會(huì)有大變化，仍然會(huì)是厘米級(jí)。

不過(guò)，為了達(dá)到更高的速度要求，5G會(huì)使用更多根天線，即MIMO技術(shù)，例如8×8MIMO就是有8個(gè)發(fā)射端天線，8根手機(jī)端天線。

而天線數(shù)量的增加，則將會(huì)要求多個(gè)天線之間的形狀重新排布，對(duì)手機(jī)后蓋和走線提出新的要求，以達(dá)到更好的效率。

天線是一根具有指定長(zhǎng)度的導(dǎo)線，可以制造在PCB(印制電路板)和FPC(柔性電路板)上。

目前主流的方案是使用軟板廠FPC制造可折疊式天線，它可以彎曲成任意的形狀，以適應(yīng)設(shè)備的小型化和便攜化。

FPC是Flexible Printed Circuit Board的簡(jiǎn)稱，中文名叫軟板，又叫做柔性電路板。它是以柔性覆銅板(FCCL)制成，配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好。

軟板使用塑料膜中間夾著銅薄膜做成的導(dǎo)線，在幾乎所有電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用，例如硬盤(pán)的帶狀引線、數(shù)碼相機(jī)、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和汽車電子中。

在便攜設(shè)備中，如手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦中，軟板被用來(lái)制造射頻天線和高頻傳輸線。5G時(shí)代，手機(jī)天線數(shù)量的大幅度增加也會(huì)拉動(dòng)軟板的大幅需求。

毫米波

?高頻衰減明顯，天線設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)

和Sub-6GHz相比，毫米波則要更復(fù)雜一些。

毫米波之所以稱為毫米波，是因?yàn)楫?dāng)頻率高達(dá)幾十GHz時(shí)，電磁波的波長(zhǎng)已經(jīng)縮減到了毫米級(jí)，因此毫米波通信會(huì)大大減小天線的尺寸。但是，電磁波波長(zhǎng)縮小會(huì)導(dǎo)致其繞射能力變差，衰減變得異常明顯。

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，也需要射頻前端RFFE盡可能靠近毫米波天線。