人體安全因素的考慮的5G天線高速通信設(shè)計(jì)方案

蘋果會(huì)因?yàn)閾?dān)心手機(jī)對(duì)健康的不良影響而添加一個(gè)昂貴的組件來減少用戶暴露在毫米波能量下嗎？有這種可能。另一種可能是檢測(cè)最近的吸收器，并將RF能量集中到另一個(gè)陣列，以節(jié)約能量。5G時(shí)代離我們?cè)絹碓浇?，雖然其部署仍在初始階段?，F(xiàn)在只有少數(shù)幾款手機(jī)能夠支持所有可用頻譜，因此還有很多問題尚待解決。

由于目前可獲得的28GHz的mmW波段對(duì)消費(fèi)者市場(chǎng)來說是全新的，因此頻譜中的高頻部分仍有待研究。未來還會(huì)出現(xiàn)更高的頻率。30至300GHz的頻率為超高頻（EHF），在應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)之前，人們想知道它對(duì)健康是否有潛在的影響。

圖1：5G頻段分配。（圖片來源：Qualcomm公司）

5G頻譜中的高頻部分有可能提供更高的帶寬，其開放頻率也分配給了蜂窩業(yè)務(wù)，但這部分頻率范圍卻會(huì)遭受非常嚴(yán)重的大氣衰減。為了可靠地將用戶連接到基站，可能需要天線具有更高的功率輸出。

但是大氣衰減只是問題的一部分。使用mmWave頻率是新問題，但還有一個(gè)老問題：使用者的身體（血、肉、骨骼）也會(huì)吸收mmWave能量。這里不討論人體可能對(duì)mmWave能量出現(xiàn)什么反應(yīng)。無論用戶的身體是否會(huì)受到影響，手或頭（或身體的任何部位）即便不能完擋住5G RF信號(hào)的傳播，勢(shì)必也會(huì)大大減少其傳播（至少你所希望的輸出功率范圍是這樣）。

圖2：Qualcomm公司一直在積極研究各種5G天線，以減少人體對(duì)信號(hào)的阻擋。

一見到5G天線模塊在手機(jī)中的擺放位置，我就思量手機(jī)設(shè)計(jì)是否考慮了大多數(shù)人使用右手以及在語音通話時(shí)手機(jī)靠著頭部的習(xí)慣。我們這一代年紀(jì)較大的人都認(rèn)為電話是放在嘴巴和耳朵邊來通話的。在設(shè)計(jì)5G手機(jī)的天線位置時(shí)，（至少好的設(shè)計(jì)）可能會(huì)考慮到大家通常用手拿手機(jī)、低頭看屏幕上網(wǎng)沖浪和使用社交媒體的習(xí)慣姿勢(shì)。可能99％的手機(jī)用戶都是用這種姿勢(shì)使用手機(jī)，但設(shè)計(jì)仍需確保手機(jī)在貼近頭部時(shí)能夠正常連接。它應(yīng)該能夠應(yīng)對(duì)不斷變化的情況。

我們知道，在連接的兩端（基站和用戶設(shè)備端）使用了MIMO和波束成形技術(shù)?；竞褪謾C(jī)協(xié)同工作，確保各自的天線陣列集中RF能量，使兩端接收到的信號(hào)最強(qiáng)。但是，對(duì)于手機(jī)附近存在阻擋信號(hào)傳播的物體時(shí)，還可以采用另一種機(jī)制。最近System Plus在對(duì)iPhone 12的拆解分析中強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。

iPhone 12中的一個(gè)小細(xì)節(jié)表明，只需拆開并研究市場(chǎng)上的產(chǎn)品，即可獲得有價(jià)值的信息。System Plus拆解還強(qiáng)調(diào)了需要有能力和經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員從實(shí)際拆解中挖掘出最多信息。盡管System Plus拆解只是其完整報(bào)告的一小部分，但它為我們提供了寶貴的細(xì)節(jié)。

圖3：iPhone 12 RF前端分析。（圖片來源：SystemPlus Consulting）

在Apple iPhone 12系列中，我們發(fā)現(xiàn)了跟以前完全不一樣的5G mmWave系統(tǒng)。該系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)高速通信而設(shè)計(jì)的，考慮了人體安全性，并且僅由一個(gè)芯片組控制。

iPhone 12中還有另一根5G天線，即USI AiP（封裝天線）完全集成模塊，我們之前已專門介紹過。盡管與Qualcomm公司第二代QTM525 5G mmWave天線模塊非常相似，但它們還是有很大的差別。而且，第二代iPhone天線陣列中有一些更有趣的東西。

System Plus拆解指出，USI AiP模塊以及邏輯板下方的第二個(gè)無源相控陣天線是由單個(gè)RF前端模塊驅(qū)動(dòng)的。這根天線是iPhone 12手機(jī)設(shè)計(jì)與眾不同的地方。對(duì)5G iPhone及其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的蜂窩連接性能進(jìn)行比較沒有任何意義，但是更深入地了解這種目前只有Apple采用的設(shè)計(jì)，是一件很有趣的事。

圖4：Qualcomm公司申請(qǐng)的專利——檢測(cè)人體部位的雷達(dá)。

除無源天線外，System Plus還描述了“人體安全因素的考慮”。由Qualcomm SDX55M調(diào)制解調(diào)器和SMR526中頻芯片組控制的第三個(gè)組件是毫米波雷達(dá)，用于檢測(cè)“任何人體，以限制5G mmWave通信系統(tǒng)的輻射”。

蘋果會(huì)因?yàn)閾?dān)心手機(jī)對(duì)健康的不良影響而添加一個(gè)昂貴的組件來減少用戶暴露在毫米波能量下嗎？有這種可能。另一種可能是檢測(cè)最近的吸收器，并將RF能量集中到另一個(gè)陣列，以便節(jié)約能量。每個(gè)人都很在意移動(dòng)設(shè)備的功耗，尤其是在5G時(shí)代。蘋果肯定希望其電池性能達(dá)到最優(yōu)，估計(jì)他們還希望減少或消除集中毫米波RF能量對(duì)忠實(shí)用戶的影響。

Qualcomm公司深入?yún)⑴c了5G部署的各個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是RF設(shè)計(jì)，同時(shí)還將繼續(xù)研究當(dāng)天線附近有意想不到的吸收器時(shí)，如何控制RF功率。Qualcomm公司最近申請(qǐng)了一項(xiàng)專利——檢測(cè)人體部位的雷達(dá)，公開了System Plus拆解中所提到的使用雷達(dá)檢測(cè)附近人體部位的方法，使設(shè)備能夠判斷發(fā)送RF信號(hào)是否安全。

可以肯定的是，System Plus對(duì)iPhone 12 mmWave雷達(dá)及其功能進(jìn)行了準(zhǔn)確的分析。不過，就像AiP模塊一樣，我們并不清楚Qualcomm RF設(shè)計(jì)最后究竟會(huì)怎樣、Apple的設(shè)計(jì)從哪里開始。這些都留待下次再說吧。
編輯：hfy