从大年夜哥大年夜到iPhoneXS手机天线进化史与5G新寻衅_天线_手机

在刚刚结束的MWC 2019上，5G手机已然红遍巴塞罗那，成了当下最热门的话题。
而对付每一台5G手机来说，其天线设计都至关主要。

MIMO、载波聚合、波束赋形等5G新技能的运用，将会为手机天线的设计与制造带来一系列新寻衅，而手机天线的变革又将反过来影响5G手机的整体设计。

本期的智能内参，我们推举来自中银国际的5G天线报告，详细解读5G时期手机天线的尺寸、数量、以及材料、封装技能的变革与行业机遇。
如果想收藏本文的报告（中银国际-电子行业5G系列·终端天线专题：终端商用即将冲刺，开启天线新机遇），可以在智东西头条号回答关键词“nc330”获取。

以下为智能内参整理呈现的干货：

天线是发射和吸收电磁波的一个主要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

一样平常情形下手机天线长度一样平常为波长的1/4~1/2，因此传播频率越高，天线的长度越短；且对应于不同运用将会利用不同的天线。

1、新频段

目前，3GPP已经指定了5G NR支持的频段列表，紧张分为Sub-6（低于6GHz频段）和毫米波（mmWave，30GHz-100GHz）这两大频率范围。

由于Sub-6与毫米波这些新频段的加入，5G手机也势必将引入新的天线。

不过Sub-6和毫米波通信由于本身的频率差别很大，在手机天线设计上会产生不同的影响。

现在美国、韩国已经为5G划分毫米波（mmWave）的高频频谱，中国三大运营商的5G低频（Sub-6）频段也已划分完成，但是中国对付毫米波频段划分还在搜聚见地阶段。

2、新技能

5G的紧张通信技能有Massive MIMO、载波聚合、波束赋形等，合营这些技能，终端天线也将发生一系列的变革。
例如，MIMO技能的运用将会明显增加天线数量。

MIMO技能大略阐明如下：它是通过利用多个发射、多个吸收天线，在单个无线信道上同时发送和吸收多个数据流的技能，能用于提高移动设备带宽、增加数据吞吐。

MIMO的阶数代表可以发送或吸收的独立信息流数量，它直接等同于所涉及天线的数量；阶数越高，链路支持的数据速率也越高。

MIMO系统常日涉及基站发射天线数量以及用户设备吸收天线数量。
例如，2×2 MIMO意味着同一时候在基站有两个发射天线，在手机上有两个吸收天线。

实在，历代的无线通信技能都会利用前辈的天线技能来提高网络速率：

1）3G时期利用了单用户MIMO技能，它从基站端同时发送多个数据流给用户。

2）4G时期利用的是多用户MIMO技能，它为多个不同用户分配不同数据流，比较于3G大大提高了容量和性能。

3）而5G时期将会利用的是大规模MIMO（Massive MIMO）技能，进一步将容量和数据速率提高到20Gbps。

Massive意指基站天线阵列中的大量天线；MIMO意指天线阵列利用同一韶光和频率资源知足空间上分离的多位用户的需求。

从手机出身以来，通信频率在逐渐从最初的kHz发展到了GHz频段，而天线的尺寸也经历了从大到小，从外置到内置的变革。

除了通讯功能之外，手机的Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC等功能，都须要用到不同的天线，乃至于最近逐渐火起来的无线充电，用的充电线圈也是一种天线。

我们先从通讯功能提及。
最早的手机天线是四分之一波长天线，它是一根单独的天线，也叫做套筒式偶极天线。

由于最早的1G手机频段为800MHz，以是天线的长度有9.4cm。
这种天线已经在目前利用的手机上很难见到，而是被大量的用在无线LAN接入点上。

20世纪90年代的2G手机天线则有两个天线单极和螺旋，只能支持单个频段。
诺基亚1011和摩托罗拉M300只能支持单个频段的通信。

1997年，摩托罗拉发布了首个双频GSM手机mr601，可以支持GSM900和GSM1800双频，因此有螺旋和鞭状两根天线。

1999年诺基亚推出了Nokia 3210，是一个完备内置的天线，可以支持GSM900和GSM1800双频。

2004年推出的3G Nokia 6630手机，可以真正意义上支持环球漫游，是第一个双模三频段手机，所利用的天线也是多天线内置。

此后，手机逐渐往小型化和个人化发展，为了合营整体设计，天线的设计也更加紧凑化。

对付目前的手机及来说，印制天线被广泛用在终端中，比较于其他安装式天线更加小巧轻薄。
从组成上看，印制天线内部有介电材料和接地平面，设计时须要考虑高效率、高增益和辐射模式。

出于对射频前端及基带处理的设计考虑，目前天线的设计办法是针对不同的运用，设计身分歧的窄带天线。

而且上文提到，除了通讯功能之外，手机的Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC、无线充电等功能都须要用到不同的天线。

以三星旗舰智能机S9为例，其内部有传统的移动通信主天线（合营高通骁龙845基带，支持4X4 MIMO、5个分量载波聚合），位于手机的下部和左下部。

GPS天线位于左上部，近场通信天线（NFC，Near Field Communication）和无线充电线圈在手机中部。

此外，手机中还集成了前辈的磁性安全传输线圈（MST，Magnetic Secure Transmission）位于摄像头附近。
MST是一种移动支付技能，是利用手机发射旗子暗记来仿照传统的磁条卡。

目前4G通信的波段是1-2.6GHz，而5G利用的通信频段也在6GHz以下。
因此，利用5G低频Sub-6频段的手机天线尺寸上不会有大变革，仍旧会是厘米级。

不过，为了达到更高的速率哀求，5G会利用更多根天线，即MIMO技能，例如8×8 MIMO便是有8个发射端天线，8根手机端天线。

而天线数量的增加，则将会哀求多个天线之间的形状重新排布，对手机后盖和走线提出新的哀求，以达到更好的效率。

天线是一根具有指定长度的导线，可以制造在PCB（印制电路板）和FPC（柔性电路板）上。

目前主流的方案是利用FPC制造可折叠式天线，它可以波折成任意的形状，以适应设备的小型化和便携化。

FPC是Flexible Printed Circuit Board的简称，中文名叫软板，又叫做柔性电路板。
它因此柔性覆铜板（FCCL）制成，配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好。

软板利用塑料膜中间夹着铜薄膜做成的导线，在险些所有电子产品中都有运用，例如硬盘的带状引线、数码相机、仪器仪表、医疗设备和汽车电子中。

在便携设备中，如手机、平板电脑和条记本电脑中，软板被用来制造射频天线和高频传输线。
5G时期，手机天线数量的大幅度增加也会拉动软板的大幅需求。

和Sub-6比较，毫米波则要更繁芜一些。

毫米波之以是称为毫米波，是由于当频率高达几十GHz时，电磁波的波长已经缩减到了毫米级，因此毫米波通信会大大减小天线的尺寸。

但是，电磁波波长缩小会导致其绕射能力变差，衰减变得非常明显。

高频带来的衰减问题，从空间传播上可以用MIMO多天线和波束赋形来办理，但是在手机内部为了担保旗子暗记的完全性，也须要射频前端RFFE尽可能靠近毫米波天线。

2018年7月23日，高通宣告推出环球首款面向智好手机和其他移动终真个全集成5G新空口毫米波及sub-6GH下射频模组：Qualcomm QTM052毫米波天线模组系列、Qualcomm QPM56xx sub-6GHz射频模组系列。
Qualcomm QTM052将无线电收发器，电源管理IC，RF前端组件和相控天线阵列集成在一起。

而高通在2018年10月最新发布的QTM052模组尺寸进一步减小25%，并且知足5G NR智好手机的利用，为手机UE设计供应了更多可能。

与此同时，多天线之间也存在隔离度问题。
MIMO天线不再是传统的一根导线分频段取信号模式，在手机狭小的空间中，连续成片设计天线区域有限，后盖该当是最佳的布设天线的区域。

下图给出了针对5G手机提出的一种分布式相位阵列MIMO构造的手机设计方案，个中有8个相控阵列单元形成波束赋形模组，内嵌在手机壳背面下方。

8个天线将汇合营不同的用户利用场景进行事情。
针对不同的运用处景，会有不同的来自人体对电磁波的阻挡办法。
这种电磁波阻碍在低频下可能显得并不严重，但是在高频毫米波事情办法下，旗子暗记的衰减尤其严重。

因此针对不同的场景，手机中的天线将汇合营事情，有针对性的发射和接管旗子暗记，这一方面可以降落手机功耗，还可以更大程度上担保旗子暗记的稳定性。

波束赋形则是针对旗子暗记来源方向对天线的方向性进行调度，因此须要对每个天线进行单独的实时掌握，这在技能上须要射频前端电路合营。

上图给出的是一种针对毫米波的射频前段办理方案。
从系统上讲，与天线合营事情的射频前端芯片须要针对每个天线单独掌握，因此不仅是MIMO天线数量的会直接增长，射频前端电路的需求量和天线是同步的。

不过，IEEE Access论文中同时提到，多天线对旗子暗记波束的实时监测和调度可能会使得手机一贯处于高能耗状态，因此高能量效率和电池寿命都手机设计的限定成分。

当频率高至毫米波时，旗子暗记在空气中的衰减会变得非常严重，而在半导体材料中也是遵照这个定律。

因此对付毫米波天线来说，须要到射频前端电路尽可能近间隔以减小衰减和实现实时的波束跟踪和掌握。

以是，小型化的毫米波天线将会很可能采取AiP（Antenna in Package）封装天线技能跟其他零件共同整合在同一个封装中。

AiP的制造是在SiP（system in package）的根本上，用IC载板来进行多芯片SiP系统级封装，同时还须要用到Fan-Out扇出型封装技能来整合多芯片，使封装构造更紧凑。
须要将天线、射频前端和收发器整合成单一系统级封装。

AiP将天线集成到芯片中，其优点在于可以简化系统设计，有利于小型化、低本钱。
以60GHz为例，片上天线单元仅为1-2mm（考虑到封装具有一定的介电常数），因此芯片封装不但可以放得下一个单元，而是可以放得下小型的收发阵列。

封装天线的构造自上而下依次为：天线、中间介质层（内部有空腔）、系统PCB。

一样平常IC芯片封装天线将天线集成在芯片上表面，中间层即天线的下方有一个内部空腔，用来放置其他RF模块。

为了减少天线与腔体内RF模块的耦合，在两层之间加入了一个额外的金属层，可以把它看作天线的地平面，它通过四周均匀分布的金属过孔与全体RF系统地平面连接。

5G手机里的无线天线设计比较于以往难度更大，缘故原由是天线设计不仅须要知足无线技能本身的哀求，还要与摄像头、声音喇叭、电池、显示屏、指纹识别芯片、振子、陀螺仪以及无线充电系统兼容。

1、电池

电池性能一贯是手机设计的一个重大瓶颈。
从1995年到2014年，无线容量增长了大约10万倍，但是电池电量的进步速率只有四到五倍。

而在5G中设备中，由于MIMO技能和波束赋形都会带来能量花费的进一步提高，电池性能问题会在后4G和5G时期变得更加突出。

2、SoC

5G时期的SoC设计也受到限定，紧张缘故原由是进入纳米级制程后摩尔定律速率放缓。
因此，能量效率的提高变得并不显著会连续为制约5G手机的设计。

目前看来，新材料制程，如基于传统硅的三五族化合物，基于SOI的CMOS工艺，FinFET、SiGe以及InP可能会在5G SoC设计中贡献力量。

3、PCB板

5G手机的多层板设计也须要更加紧凑，并且须要集成进入更多的SoC芯片组来增加各种运用、合营新标准和技能。

4、手机后盖

手机外壳会对天线性能产生重大影响。

天线在装置在手机壳当中后，还哀求天线具有高效率和低SAR比接管率。
因此，手机中的天线设计是该当考虑到金属外壳、手机壳等的复合设计。

窄边框和金属壳是目前手机的主流趋势，由于具有保护性能好、都雅、可携带以及散热方面的上风。
毫米波天线由于本身尺寸很小在空间排不上难度不大，但是手机金属壳会严重影响天线性能。

5、金属微波屏蔽罩

在全体5G手机系统设计的方面一个更严厉的问题是部件之间的连接和隔离。
例如显示屏面板可以导致RF敏感度低落，因此金属微波屏蔽罩须要放在显示单元和硬件之间，可以减少显示器辐射。

手机内部的显示器、高压包和电路板等元器件在事情时发出高强度的电磁辐射，屏蔽罩可以起到屏蔽的浸染，将部分的电磁波拦在罩内，从而保护利用者受电磁辐射的危害，同时避免对周围其它电器的滋扰、在一定程度上还确保了元器件免受灰尘，延长显示器利用寿命。

智东西认为，无天线不5G。
5G所利用的新频段、新技能都将为手机天线的设计与制造带来一系列新寻衅，而手机天线的变革又将反过来影响5G手机的整体设计。
与此同时，手机终真个小型化、智能化，以及窄边框、金属边框的盛行，都将成为5G天线设计的难点。