在剛剛結(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(mén)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)。

一、新頻段、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。

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。

1、新頻段

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。

2、新技術(shù)

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。

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。

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。

二、從大哥大到小觸屏——手機(jī)天線發(fā)展史

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。

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。

三、Sub-6天線：尺寸不變，數(shù)量增加

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

目前主流的方案是使用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。

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。

四、毫米波：高頻衰減明顯，天線設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)

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。

2018年7月23日，高通宣布推出全球首款面向智能手機(jī)和其他移動(dòng)終端的全集成5G新空口毫米波及sub-6GH下射頻模組，在2018年10月最新發(fā)布的QTM052模組尺寸進(jìn)一步減小25%，并且滿足5G NR智能手機(jī)的使用，為手機(jī)UE設(shè)計(jì)提供了更多可能。

五、毫米波天線的封裝新機(jī)遇

當(dāng)頻率高至毫米波時(shí)，信號(hào)在空氣中的衰減會(huì)變得非常嚴(yán)重，而在半導(dǎo)體材料中也是遵循這個(gè)定律。

AiP的制造是在SiP的基礎(chǔ)上，用IC載板來(lái)進(jìn)行多芯片SiP系統(tǒng)級(jí)封裝，同時(shí)還需要用到Fan-Out扇出型封裝技術(shù)來(lái)整合多芯片，使封裝結(jié)構(gòu)更緊湊。需要將天線、射頻前端和收發(fā)器整合成單一系統(tǒng)級(jí)封裝。

封裝天線的結(jié)構(gòu)自上而下依次為：天線、中間介質(zhì)層(內(nèi)部有空腔)、系統(tǒng)PCB。

為了減少天線與腔體內(nèi)RF模塊的耦合，在兩層之間加入了一個(gè)額外的金屬層，可以把它看作天線的地平面，它通過(guò)四周均勻分布的金屬過(guò)孔與整個(gè)RF系統(tǒng)地平面連接。

六、5G手機(jī)的其他挑戰(zhàn)

5G手機(jī)里的無(wú)線天線設(shè)計(jì)相比于以往難度更大，原因是天線設(shè)計(jì)不僅需要滿足無(wú)線技術(shù)本身的要求，還要與攝像頭、聲音喇叭、電池、顯示屏、指紋識(shí)別芯片、振子、陀螺儀以及無(wú)線充電系統(tǒng)兼容。

1、電池

電池性能一直是手機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重大瓶頸。從1995年到2014年，無(wú)線容量增長(zhǎng)了大約10萬(wàn)倍，但是電池電量的進(jìn)步速度只有四到五倍。

而在5G中設(shè)備中，由于MIMO技術(shù)和波束賦形都會(huì)帶來(lái)能量消耗的進(jìn)一步提高，電池性能問(wèn)題會(huì)在后4G和5G時(shí)代變得更加突出。

2、SoC

5G時(shí)代的SoC設(shè)計(jì)也受到限制，主要原因是進(jìn)入納米級(jí)制程后摩爾定律速度放緩。因此，能量效率的提高變得并不顯著會(huì)繼續(xù)為制約5G手機(jī)的設(shè)計(jì)。

目前看來(lái)，新材料制程，如基于傳統(tǒng)硅的三五族化合物，基于SOI的CMOS工藝，F(xiàn)inFET、SiGe以及InP可能會(huì)在5G SoC設(shè)計(jì)中貢獻(xiàn)力量。

3、PCB板

5G手機(jī)的多層板設(shè)計(jì)也需要更加緊湊，并且需要集成進(jìn)入更多的SoC芯片組來(lái)增加各種應(yīng)用、配合新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。

4、手機(jī)后蓋

手機(jī)外殼會(huì)對(duì)天線性能產(chǎn)生重大影響，手機(jī)中的天線設(shè)計(jì)是應(yīng)該考慮到金屬外殼、手機(jī)殼等的復(fù)合設(shè)計(jì)。

窄邊框和金屬殼是目前手機(jī)的主流趨勢(shì)，因?yàn)榫哂斜Ｗo(hù)性能好、美觀、可攜帶以及散熱方面的優(yōu)勢(shì)。毫米波天線由于本身尺寸很小在空間排不上難度不大，但是手機(jī)金屬殼會(huì)嚴(yán)重影響天線性能。

5、金屬微波屏蔽罩

在整個(gè)5G手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方面一個(gè)更嚴(yán)峻的問(wèn)題是部件之間的連接和隔離。例如顯示屏面板可以導(dǎo)致RF敏感度下降，因此金屬微波屏蔽罩需要放在顯示單元和硬件之間，可以減少顯示器輻射。

手機(jī)內(nèi)部的顯示器、高壓包和電路板等元器件在工作時(shí)發(fā)出高強(qiáng)度的電磁輻射，屏蔽罩可以起到屏蔽的作用，將部分的電磁波攔在罩內(nèi)，從而保護(hù)使用者受電磁輻射的危害，同時(shí)避免對(duì)周?chē)渌娖鞯母蓴_、在一定程度上還確保了元器件免受灰塵，延長(zhǎng)顯示器使用壽命。

無(wú)天線不5G。5G所使用的新頻段、新技術(shù)都將為手機(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)。與此同時(shí)，手機(jī)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(jì)的難點(diǎn)。