設(shè)計一個信號又好長得又好看的5G手機天線到底有多難？？？

2020年下半年 iPhone（暫命名為iPhone 12）的天線設(shè)計將由蘋果自主設(shè)計，究其原因在于蘋果對高通提供的5G天線模塊不滿，使得iPhone的機身尺寸不能被蘋果所接受。

此消息一爆出，果粉開始“沸騰”，紛紛表示蘋果這次終于“硬氣”了一次。但是自己設(shè)計天線并不是一件容易的事情，可以說這是蘋果的軟肋，早在iPhone4的時代，就曾因為天線設(shè)計導(dǎo)致用戶如果握持角度不準(zhǔn)確的話，信號會出現(xiàn)衰減的情況，而這次蘋果自己設(shè)計天線，不免讓很多人為之擔(dān)心。想要設(shè)計一個信號又好長得又好看的5G手機天線到底有多難？？？

從大哥大到全面屏

在3G和4G時代，Modem（調(diào)制解調(diào)器，又稱基帶）是決定手機網(wǎng)絡(luò)性能的核心元件。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，且更加考驗手機廠商的研發(fā)實力。

所謂“射頻電路”即手機內(nèi)部接收通路、發(fā)射通路和本振電路組合的統(tǒng)稱。

而天線設(shè)計是手機的重中之重，它將影響手機能支持多少頻段以及可以實現(xiàn)的最高上/下行速率。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天線在這些年的變化。

功能機時代

從手機誕生以來，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。

最早的手機天線是四分之一波長天線，它是一根單獨的天線，也叫做套筒式偶極天線。

由于最早的1G手機頻段為800MHz，所以天線的長度有9.4cm。這種天線在目前使用的手機上很難見到，而是被大量的用在無線LAN接入點上。

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

1997年，摩托羅拉發(fā)布了首個雙頻GSM手機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，是一個完全內(nèi)置的天線，可以支持GSM900和GSM1800雙頻。它首次在手機領(lǐng)域引入了內(nèi)置天線設(shè)計，并一直延續(xù)至今。

此后從功能機再到如今的最新款智能手機，其內(nèi)置天線的材料、位置和工藝都出現(xiàn)了質(zhì)的變化。

智能機時代

以iPhone 1為代表的早期智能手機大都采用了名為“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。如今還有不少手機的NFC天線依舊采用FPC工藝。

早期智能手機為了提升檔次，都進(jìn)行了金屬中框的嘗試。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中的“顏值擔(dān)當(dāng)”。但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。

但金屬材質(zhì)對信號有著極強的屏蔽作用，iPhone4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”。

在智能手機熱衷引入金屬材質(zhì)，以及手機機身越加輕薄之際，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LDS（Laser DirectStructuring，激光直接成型）的內(nèi)置天線工藝就浮出了水面。

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，從而大大節(jié)約手機內(nèi)部空間，并可防止內(nèi)部器件相互干擾。

當(dāng)智能手機步入全面屏?xí)r代后，眾多新品開始追求“屏占比”這一參數(shù)，至此全面屏手機紛紛展開了“額頭”和“下巴”邊框的“殲滅戰(zhàn)”。

5G天線設(shè)計的難點

1）全球5G頻譜分布不一

在談具體難點之前，先看一下5G時代的頻譜分布。在Sub-6Ghz頻譜下，全球主要城市和地區(qū)的頻譜分布。例如中國大部分聚焦在n78和n79，歐盟是n78，韓國也是n78。美國則一開始關(guān)注毫米波，到后面才有Sub-6G的布局。

日本的頻段比較麻煩，他們是3.6Ghz到4.1Ghz的n77頻段，這跟其他家不一樣，如果手機要覆蓋這個頻率，那么天線的設(shè)計也不會太容易。

進(jìn)一步分析，韓國的頻譜比較確定，在3.4Ghz到3.7Ghz之間，運營商也基本落實在LG、KT和SKT。美國則聚焦在band 48的部分。中國電信和中國聯(lián)通則主要聚焦在3.4Ghz到3.6Ghz的頻段，而中國移動則聚焦在4.8Ghz到4.9Ghz的頻段。

在日本這邊，他們的n77與其他國家的有點不一樣，包括NTT、KDDI、RAKU、SB和KDDI在內(nèi)的運營商也都聚焦在3.6Ghz到4.1Ghz頻段。另外，NTT還有個n79頻段（4.5Ghz到4.6Ghz），因此如果你要在一個設(shè)備上同時支持中國和日本的頻段，同時加上日本的一些運營商要求到年底前，所有設(shè)備都必須同時支持n77和n79頻段。那么這將就意味著給天線帶來非常大的挑戰(zhàn)。

在b41的頻段，根據(jù)規(guī)定本來b41談的是2496Mhz和2690Mhz的頻段，而中國本來的頻譜分布是中國移動占據(jù)2575Mhz到2635Mhz，中國聯(lián)通則占有2555Mhz到2575Mhz頻段，中國電信則是2635Mhz到2655Mhz的頻段。但現(xiàn)在中國電信和中國聯(lián)通都把這兩個頻段給了中國移動，在交換完成了之后，現(xiàn)在的中國移動擁有了2515Mhz到2675Mhz共160Mhz帶寬的頻段，幾乎掌控了整個b 41的頻段。

作為交換，中國移動則把n78頻段給了中國聯(lián)通和中國電信。

從上圖可以看到，如果想支持除了美國以外的國家的頻段，只需要選擇一個160Mhz、支持b41的濾波器就行了。但是如果還需要同時支持美國，尤其是Sprint（因為后者的b41的頻率范圍為2496Mhz到2690Mhz的194Mhz的帶寬），這就需要工程師在設(shè)計天線的時候多加考慮了。

2）頻段越高，傳輸衰減越大

如今智能機中的天線，是機身內(nèi)部的一根根小金屬片。移動數(shù)據(jù)需要天線，藍(lán)牙功能需要天線、GPS也需要天線。

不同天線長度也不相同。這主要涉及到信號的頻段與波長。頻段越高，波長越短，天線也就越短（大概為波長的1/4）。

就國內(nèi)來說，5G一共分有低頻與高頻兩個頻段。低頻頻段為3~5Ghz，和現(xiàn)在4G頻段相差不多，天線可以沿用當(dāng)下的設(shè)計。但是，為了滿足5G的傳輸速率要求，必須提高天線的數(shù)量。

MIMO（多輸入多輸出）多天線技術(shù)就此登場。MIMO技術(shù)簡單來說，1x1 MIMO就是1根發(fā)射天線與1根接收天線， 4x4 MIMO就是4根發(fā)射天線與4根接收天線。相比較而言，4x4 MIMO在傳輸速率上遙遙領(lǐng)先于1x1 MIMO。

低頻頻段使用MIMO多天線技術(shù)就能夠解決問題，但在高頻頻段卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不行。如上文所說，頻率越高，波長越短，傳輸衰減就越大。在5G高頻頻段，通信波長只有10mm左右（毫米波）。5G創(chuàng)業(yè)公司Movindi的研發(fā)人員表示，手指、人臉在5G毫米波天線前會產(chǎn)生“臨近效應(yīng)”。不僅會導(dǎo)致信號下降，甚至可能會直接屏蔽信號，死亡之握的概率大大提升。

3）全面屏增加天線設(shè)計難度

如今流行的全面屏設(shè)計將會成為5G時代天線設(shè)計的最大挑戰(zhàn)。一般來說，手機中的天線是360°全方位輻射的，因此在其附近的一定范圍內(nèi)是要避免出現(xiàn)金屬的，這個范圍就是“凈空區(qū)”。

過往天線的凈空區(qū)往往放在“下巴”上。然而，全面屏設(shè)計大大壓縮了“下巴”的面積，一整塊具有金屬材質(zhì)的屏幕完全遮住了手機的正面，這就對天線的設(shè)計提出了非常非常高的要求。

具體來說，由于5G毫米波非常短，來自金屬的干擾會更加嚴(yán)重，至少需要1.5mm的凈空區(qū)。而5G手機被人手和人臉遮擋時，信號會開始尋找最低誤碼率頻段。所以在設(shè)計5G終端時候，天線安裝的位置一開始就要合適，使其易于尋找最合適的頻段。

除了接收性能外，還需考慮空間覆蓋度與散熱的問題。越廣的空間覆蓋度越有利于用戶的無線體驗，但越廣的空間覆蓋度，往往要犧牲手機外觀設(shè)計。此外，為防止散熱不當(dāng)對天線系統(tǒng)造成損壞，在整機設(shè)計時也要注重材質(zhì)的把控。

5G天線設(shè)計雖然困難重重，但不是沒有解決方案。業(yè)內(nèi)普遍看好天線陣列（多天線單元）設(shè)計，即將許多相同的單天線按照一定的規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)。

當(dāng)下5G毫米波天線陣列一般是基于相控陣的方式，具體實現(xiàn)方式又可以分為AoB （Antenna on Board，即天線陣列位于系統(tǒng)主板上)、AiP （Antenna in Package，即天線陣列位于芯片的封裝內(nèi))，與AiM （Antenna in Module，即天線陣列與RFIC形成一模組)三種。目前AiM方式為業(yè)界普遍接受。

5G所使用的新頻段、新技術(shù)都將為手機天線的設(shè)計與制造帶來一系列新挑戰(zhàn)，而手機天線的變化又將反過來影響5G手機的整體設(shè)計。與此同時，手機終端的小型化、智能化，以及窄邊框、金屬邊框的流行，都將成為5G天線設(shè)計的難點。