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从苹果自研天线看5G手机天线设计到底有多难!


据报道,2020年下半年 iPhone(暂命名为iPhone 12)的天线设计将由苹果自主设计,究其原因在于苹果对高通提供的5G天线模块不满,使得iPhone的机身尺寸不能被苹果所接受。

此消息一爆出,果粉开始“沸腾”,纷纷表示苹果这次终于“硬气”了一次。但是自己设计天线并不是一件容易的事情,可以说这是苹果的软肋,早在iPhone4的时代,就曾因为天线设计导致用户如果握持角度不准确的话,信号会出现衰减的情况,而这次苹果自己设计天线,不免让很多人为之担心。

今天小编就带大家看看手机天线的变革,想要设计一个信号又好长得又好看的5G手机天线到底有多难???

01
从大哥大到全面屏



在3G和4G时代,Modem(调制解调器,又称基带)是决定手机网络性能的核心元件。到了5G时代,射频(电路)与天线(设计)将进一步成为与Modem并列的核心,且更加考验手机厂商的研发实力。

所谓“射频电路”即手机内部接收通路、发射通路和本振电路组合的统称(不是本文主角不做过多描述)。

而天线设计是手机的重中之重,它将影响手机能支持多少频段以及可以实现的最高上/下行速率。天线的工作原理是通过电场和磁场的相互转换,完成电磁能量的辐射和接收。除了2G、3G、4G乃至5G移动通讯信号以外,Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC和无线充电(线圈)等功能同样需要天线来作为接收和发送信号的载体。

随着手机越来越薄、屏占比越来越高,想在有限的空间里让这些用途不同的天线和睦相处并非易事。因此,在了解5G对天线提出的新要求之前,咱们不妨先来回顾一下智能手机天线在这些年的变化。

功能机时代


从手机诞生以来,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,从外置到内置的变化。

从苹果自研天线看5G手机天线设计到底有多难!

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。

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由于最早的1G手机频段为800MHz,所以天线的长度有9.4cm。这种天线在目前使用的手机上很难见到,而是被大量的用在无线LAN接入点上。

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2G手机的外置天线 诺基亚1011和摩托罗拉m300

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。

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诺基亚3210手机内置天线

1999年诺基亚推出了Nokia 3210,是一个完全内置的天线,可以支持GSM900和GSM1800双频。它首次在手机领域引入了内置天线设计,并一直延续至今。

此后从功能机再到如今的最新款智能手机,其内置天线的材料、位置和工艺都出现了质的变化。

智能机时代


以iPhone 1为代表的早期智能手机大都采用了名为“FPC”(Flexible PrintedCircuits,柔性电路板)的内置天线工艺,它是一种可靠性很高、轻薄、弯折性好的印刷电路板。如今还有不少手机的NFC天线依旧采用FPC工艺。

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早期智能手机为了提升档次,都进行了金属中框的尝试。在iPhone 4时代,苹果开始引入不锈钢材质的金属边框,结合前后玻璃面板堪称同期手机中的“颜值担当”。但iPhone 4的天线设计比较奇葩,它在金属边框内焊接了形状复杂的金属片,从而让边框充当了天线的作用。

但金属材质对信号有着极强的屏蔽作用,iPhone4为了让各种信号能透过金属边框,还特意在边框上开了2道缝隙(两段式方案)用于信号的溢出。

然而,这种设计依旧存在严重的Bug——当紧握手机下部时,可能引起两段式天线的连接处发生短路,从而导致信号质量严重缩水,这个问题在当年被称为“死亡之握”。

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在智能手机热衷引入金属材质,以及手机机身越加轻薄之际,FPC工艺天线在性能和可靠性上都很难符合要求,此时另一种LDS(Laser DirectStructuring,激光直接成型)的内置天线工艺就浮出了水面。

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LDS就是一种可以在塑料材质上进行化镀并形成金属天线图案的技术,它比FPC的精度更高,稳定性更好,可以直接在金属(或玻璃)后盖内层的塑料支架上镀上各种天线图案,从而大大节约手机内部空间,并可防止内部器件相互干扰。

当智能手机步入全面屏时代后,众多新品开始追求“屏占比”这一参数,至此全面屏手机纷纷展开了“额头”和“下巴”边框的“歼灭战”。

02
5G天线设计的难点


全球5G频谱分布不一



在谈具体难点之前,先看一下5G时代的频谱分布。在Sub-6Ghz频谱下,全球主要城市和地区的频谱分布。例如中国大部分聚焦在n78和n79,欧盟是n78,韩国也是n78。美国则一开始关注毫米波,到后面才有Sub-6G的布局。

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日本的频段比较麻烦,他们是3.6Ghz到4.1Ghz的n77频段,这跟其他家不一样,如果手机要覆盖这个频率,那么天线的设计也不会太容易。

进一步分析,韩国的频谱比较确定,在3.4Ghz到3.7Ghz之间,运营商也基本落实在LG、KT和SKT。美国则聚焦在band 48的部分。中国电信和中国联通则主要聚焦在3.4Ghz到3.6Ghz的频段,而中国移动则聚焦在4.8Ghz到4.9Ghz的频段。

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在日本这边,他们的n77与其他国家的有点不一样,包括NTT、KDDI、RAKU、SB和KDDI在内的运营商也都聚焦在3.6Ghz到4.1Ghz频段。另外,NTT还有个n79频段(4.5Ghz到4.6Ghz),因此如果你要在一个设备上同时支持中国和日本的频段,同时加上日本的一些运营商要求到年底前,所有设备都必须同时支持n77和n79频段。那么这将就意味着给天线带来非常大的挑战。

在b41的频段,根据规定本来b41谈的是2496Mhz和2690Mhz的频段,而中国本来的频谱分布是中国移动占据2575Mhz到2635Mhz,中国联通则占有2555Mhz到2575Mhz频段,中国电信则是2635Mhz到2655Mhz的频段。但现在中国电信和中国联通都把这两个频段给了中国移动,在交换完成了之后,现在的中国移动拥有了2515Mhz到2675Mhz共160Mhz带宽的频段,几乎掌控了整个b 41的频段。

作为交换,中国移动则把n78频段给了中国联通和中国电信。

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从上图可以看到,如果想支持除了美国以外的国家的频段,只需要选择一个160Mhz、支持b41的滤波器就行了。但是如果还需要同时支持美国,尤其是Sprint(因为后者的b41的频率范围为2496Mhz到2690Mhz的194Mhz的带宽),这就需要工程师在设计天线的时候多加考虑了。

频段越高,传输衰减越大


如今智能机中的天线,是机身内部的一根根小金属片。移动数据需要天线,蓝牙功能需要天线、GPS也需要天线。

不同天线长度也不相同。这主要涉及到信号的频段与波长。频段越高,波长越短,天线也就越短(大概为波长的1/4)。

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就国内来说,5G一共分有低频与高频两个频段。低频频段为3~5Ghz,和现在4G频段相差不多,天线可以沿用当下的设计。但是,为了满足5G的传输速率要求,必须提高天线的数量。

MIMO(多输入多输出)多天线技术就此登场。MIMO技术简单来说,1×1 MIMO就是1根发射天线与1根接收天线, 4×4 MIMO就是4根发射天线与4根接收天线。相比较而言,4×4 MIMO在传输速率上遥遥领先于1×1 MIMO。
从苹果自研天线看5G手机天线设计到底有多难!
低频频段使用MIMO多天线技术就能够解决问题,但在高频频段却远远不行。如上文所说,频率越高,波长越短,传输衰减就越大。在5G高频频段,通信波长只有10mm左右(毫米波)。5G创业公司Movindi的研发人员表示,手指、人脸在5G毫米波天线前会产生“临近效应”。不仅会导致信号下降,甚至可能会直接屏蔽信号,死亡之握的概率大大提升。

但是,更大的挑战还在后面。

全面屏增加天线设计难度


如今流行的全面屏设计将会成为5G时代天线设计的最大挑战。一般来说,手机中的天线是360°全方位辐射的,因此在其附近的一定范围内是要避免出现金属的,这个范围就是“净空区”。

从苹果自研天线看5G手机天线设计到底有多难!

过往天线的净空区往往放在“下巴”上。然而,全面屏设计大大压缩了“下巴”的面积,一整块具有金属材质的屏幕完全遮住了手机的正面,这就对天线的设计提出了非常非常高的要求。

具体来说,由于5G毫米波非常短,来自金属的干扰会更加严重,至少需要1.5mm的净空区。而5G手机被人手和人脸遮挡时,信号会开始寻找最低误码率频段。所以在设计5G终端时候,天线安装的位置一开始就要合适,使其易于寻找最合适的频段。

除了接收性能外,还需考虑空间覆盖度与散热的问题。越广的空间覆盖度越有利于用户的无线体验,但越广的空间覆盖度,往往要牺牲手机外观设计。此外,为防止散热不当对天线系统造成损坏,在整机设计时也要注重材质的把控。

5G天线设计虽然困难重重,但不是没有解决方案。业内普遍看好天线阵列(多天线单元)设计,即将许多相同的单天线按照一定的规律排列组成的天线系统。

当下5G毫米波天线阵列一般是基于相控阵的方式,具体实现方式又可以分为AoB (Antenna on Board,即天线阵列位于系统主板上)、AiP (Antenna in Package,即天线阵列位于芯片的封装内),与AiM (Antenna in Module,即天线阵列与RFIC形成一模组)三种。目前AiM方式为业界普遍接受。

5G所使用的新频段、新技术都将为手机天线的设计与制造带来一系列新挑战,而手机天线的变化又将反过来影响5G手机的整体设计。与此同时,手机终端的小型化、智能化,以及窄边框、金属边框的流行,都将成为5G天线设计的难点。

参考链接:
1.http://www.cfan.com.cn/2019/0612/132577.shtml
2.https://www.ednchina.com/news/201903041121.html
3.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1619123956408438866&wfr=spider&for=pc
4.https://mp.weixin.qq.com/s/ECscNJzwEP1ycOcpKC0Wpw

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《从苹果自研天线看5G手机天线设计到底有多难!》原文地址:
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