從大哥大到iPhoneXS，天線(xiàn)技術(shù)已改頭換面

　　在剛剛結束的MWC 2019上，5G手機已然紅遍巴塞羅那，成了當下最熱門(mén)的話(huà)題。而對于每一臺5G手機來(lái)說(shuō)，其天線(xiàn)設計都至關(guān)重要。

　　MIMO、載波聚合、波束賦形等5G新技術(shù)的應用，將會(huì )為手機天線(xiàn)的設計與制造帶來(lái)一系列新挑戰，而手機天線(xiàn)的變化又將反過(guò)來(lái)影響5G手機的整體設計。

　　一、新頻段、新技術(shù)，推動(dòng)5G天線(xiàn)升級

　　天線(xiàn)是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線(xiàn)電設備，沒(méi)有天線(xiàn)也就沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電通信。

　　一般情況下手機天線(xiàn)長(cháng)度一般為波長(cháng)的1/4~1/2，因此傳播頻率越高，天線(xiàn)的長(cháng)度越短;且對應于不同應用將會(huì )使用不同的天線(xiàn)。

　　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手機也勢必將引入新的天線(xiàn)。

　　不過(guò)Sub-6和毫米波通信由于本身的頻率差別很大，在手機天線(xiàn)設計上會(huì )產(chǎn)生不同的影響。

　　現在美國、韓國已經(jīng)為5G劃分毫米波(mmWave)的高頻頻譜，中國三大運營(yíng)商的5G低頻(Sub-6)頻段也已劃分完成，但是中國對于毫米波頻段劃分還在征求意見(jiàn)階段。

　　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(xiàn)也將發(fā)生一系列的變化。例如，MIMO技術(shù)的應用將會(huì )明顯增加天線(xiàn)數量。

　　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(xiàn)，在單個(gè)無(wú)線(xiàn)信道上同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)數據流的技術(shù)，能用于提高移動(dòng)設備帶寬、增加數據吞吐。

　　MIMO的階數代表可以發(fā)送或接收的獨立信息流數量，它直接等同于所涉及天線(xiàn)的數量;階數越高，鏈路支持的數據速率也越高。

　　MIMO系統通常涉及基站發(fā)射天線(xiàn)數量以及用戶(hù)設備接收天線(xiàn)數量。例如，2×2 MIMO意味著(zhù)同一時(shí)刻在基站有兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，在手機上有兩個(gè)接收天線(xiàn)。

　　其實(shí)，歷代的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)都會(huì )使用先進(jìn)的天線(xiàn)技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )速度：

　　1)3G時(shí)代使用了單用戶(hù)MIMO技術(shù)，它從基站端同時(shí)發(fā)送多個(gè)數據流給用戶(hù)。

　　2)4G時(shí)代使用的是多用戶(hù)MIMO技術(shù)，它為多個(gè)不同用戶(hù)分配不同數據流，相比于3G大大提高了容量和性能。

　　3)而5G時(shí)代將會(huì )使用的是大規模MIMO(Massive MIMO)技術(shù)，進(jìn)一步將容量和數據速率提高到20Gbps。

　　Massive意指基站天線(xiàn)陣列中的大量天線(xiàn);MIMO意指天線(xiàn)陣列使用同一時(shí)間和頻率資源滿(mǎn)足空間上分離的多位用戶(hù)的需求。

　　二、從大哥大到小觸屏——手機天線(xiàn)發(fā)展史

　　從手機誕生以來(lái)，通信頻率在逐漸從最初的kHz發(fā)展到了GHz頻段，而天線(xiàn)的尺寸也經(jīng)歷了從大到小，從外置到內置的變化。

　　除了通訊功能之外，手機的Wi-Fi、藍牙、GPS、NFC等功能，都需要用到不同的天線(xiàn)，甚至于最近逐漸火起來(lái)的無(wú)線(xiàn)充電，用的充電線(xiàn)圈也是一種天線(xiàn)。

　　我們先從通訊功能說(shuō)起。最早的手機天線(xiàn)是四分之一波長(cháng)天線(xiàn)，它是一根單獨的天線(xiàn)，也叫做套筒式偶極天線(xiàn)。

　　由于最早的1G手機頻段為800MHz，所以天線(xiàn)的長(cháng)度有9.4cm。這種天線(xiàn)已經(jīng)在目前使用的手機上很難見(jiàn)到，而是被大量的用在無(wú)線(xiàn)LAN接入點(diǎn)上。

　　20世紀90年代的2G手機天線(xiàn)則有兩個(gè)天線(xiàn)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mr601，可以支持GSM900和GSM1800雙頻，因此有螺旋和鞭狀兩根天線(xiàn)。

　　1999年諾基亞推出了Nokia 3210，是一個(gè)完全內置的天線(xiàn)，可以支持GSM900和GSM1800雙頻。

　　2004年推出的3G Nokia 6630手機，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，所使用的天線(xiàn)也是多天線(xiàn)內置。

　　此后，手機逐漸往小型化和個(gè)人化發(fā)展，為了配合整體設計，天線(xiàn)的設計也更加緊湊化。

　　對于目前的手機及來(lái)說(shuō)，印制天線(xiàn)被廣泛用在終端中，相比于其他安裝式天線(xiàn)更加小巧輕薄。從組成上看，印制天線(xiàn)內部有介電材料和接地平面，設計時(shí)需要考慮高效率、高增益和輻射模式。

　　出于對射頻前端及基帶處理的設計考慮，目前天線(xiàn)的設計方式是針對不同的應用，設計成不同的窄帶天線(xiàn)。

　　而且上文提到，除了通訊功能之外，手機的Wi-Fi、藍牙、GPS、NFC、無(wú)線(xiàn)充電等功能都需要用到不同的天線(xiàn)。

　　以三星旗艦智能機S9為例，其內部有傳統的移動(dòng)通信主天線(xiàn)(配合高通驍龍845基帶，支持4X4 MIMO、5個(gè)分量載波聚合)，位于手機的下部和左下部。

　　GPS天線(xiàn)位于左上部，近場(chǎng)通信天線(xiàn)(NFC，Near Field Communication)和無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈在手機中部。

　　此外，手機中還集成了先進(jìn)的磁性安全傳輸線(xiàn)圈(MST，Magnetic Secure Transmission)位于攝像頭附近。MST是一種移動(dòng)支付技術(shù)，是利用手機發(fā)射信號來(lái)模擬傳統的磁條卡。

　　三、Sub-6天線(xiàn)：尺寸不變，數量增加

　　目前4G通信的波段是1-2.6GHz，而5G使用的通信頻段也在6GHz以下。因此，使用5G低頻Sub-6頻段的手機天線(xiàn)尺寸上不會(huì )有大變化，仍然會(huì )是厘米級。

　　不過(guò)，為了達到更高的速度要求，5G會(huì )使用更多根天線(xiàn)，即MIMO技術(shù)，例如8×8 MIMO就是有8個(gè)發(fā)射端天線(xiàn)，8根手機端天線(xiàn)。

　　而天線(xiàn)數量的增加，則將會(huì )要求多個(gè)天線(xiàn)之間的形狀重新排布，對手機后蓋和走線(xiàn)提出新的要求，以達到更好的效率。

　　天線(xiàn)是一根具有指定長(cháng)度的導線(xiàn)，可以制造在PCB(印制電路板)和FPC(柔性電路板)上。

　　目前主流的方案是使用FPC制造可折疊式天線(xiàn)，它可以彎曲成任意的形狀，以適應設備的小型化和便攜化。

　　FPC是Flexible Printed Circuit Board的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文名叫軟板，又叫做柔性電路板。它是以柔性覆銅板(FCCL)制成，配線(xiàn)密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好。

　　軟板使用塑料膜中間夾著(zhù)銅薄膜做成的導線(xiàn)，在幾乎所有電子產(chǎn)品中都有應用，例如硬盤(pán)的帶狀引線(xiàn)、數碼相機、儀器儀表、醫療設備和汽車(chē)電子中。

　　在便攜設備中，如手機、平板電腦和筆記本電腦中，軟板被用來(lái)制造射頻天線(xiàn)和高頻傳輸線(xiàn)。5G時(shí)代，手機天線(xiàn)數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(xiàn)設計新挑戰

　　和Sub-6相比，毫米波則要更復雜一些。

　　毫米波之所以稱(chēng)為毫米波，是因為當頻率高達幾十GHz時(shí)，電磁波的波長(cháng)已經(jīng)縮減到了毫米級，因此毫米波通信會(huì )大大減小天線(xiàn)的尺寸。

　　但是，電磁波波長(cháng)縮小會(huì )導致其繞射能力變差，衰減變得異常明顯。

　　高頻帶來(lái)的衰減問(wèn)題，從空間傳播上可以用MIMO多天線(xiàn)和波束賦形來(lái)解決，但是在手機內部為了保證信號的完整性，也需要射頻前端RFFE盡可能靠近毫米波天線(xiàn)。

　　2018年7月23日，高通宣布推出全球首款面向智能手機和其他移動(dòng)終端的全集成5G新空口毫米波及sub-6GH下射頻模組：Qualcomm QTM052毫米波天線(xiàn)模組系列、Qualcomm QPM56xx sub-6GHz射頻模組系列。Qualcomm QTM052將無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，電源管理IC，RF前端組件和相控天線(xiàn)陣列集成在一起。

　　而高通在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(mǎn)足5G NR智能手機的使用，為手機UE設計提供了更多可能。

　　與此同時(shí)，多天線(xiàn)之間也存在隔離度問(wèn)題。MIMO天線(xiàn)不再是傳統的一根導線(xiàn)分頻段取信號模式，在手機狹小的空間中，連續成片設計天線(xiàn)區域有限，后蓋應該是最佳的布設天線(xiàn)的區域。

　　下圖給出了針對5G手機提出的一種分布式相位陣列MIMO結構的手機設計方案，其中有8個(gè)相控陣列單元形成波束賦形模組，內嵌在手機殼背面下方。

　　8個(gè)天線(xiàn)將會(huì )配合不同的用戶(hù)使用場(chǎng)景進(jìn)行工作。針對不同的應用場(chǎng)景，會(huì )有不同的來(lái)自人體對電磁波的阻擋方式。這種電磁波阻礙在低頻下可能顯得并不嚴重，但是在高頻毫米波工作方式下，信號的衰減尤其嚴重。

　　因此針對不同的場(chǎng)景，手機中的天線(xiàn)將會(huì )配合工作，有針對性的發(fā)射和接受信號，這一方面可以降低手機功耗，還可以更大程度上保證信號的穩定性。

　　波束賦形則是針對信號來(lái)源方向對天線(xiàn)的方向性進(jìn)行調整，因此需要對每個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行單獨的實(shí)時(shí)控制，這在技術(shù)上需要射頻前端電路配合。

　　上圖給出的是一種針對毫米波的射頻前段解決方案。從系統上講，與天線(xiàn)配合工作的射頻前端芯片需要針對每個(gè)天線(xiàn)單獨控制，因此不僅是MIMO天線(xiàn)數量的會(huì )直接增長(cháng)，射頻前端電路的需求量和天線(xiàn)是同步的。

　　不過(guò)，IEEE Access論文中同時(shí)提到，多天線(xiàn)對信號波束的實(shí)時(shí)監測和調整可能會(huì )使得手機一直處于高能耗狀態(tài)，因此高能量效率和電池壽命都手機設計的限制因素。

　　五、毫米波天線(xiàn)的封裝新機遇

　　當頻率高至毫米波時(shí)，信號在空氣中的衰減會(huì )變得非常嚴重，而在半導體材料中也是遵循這個(gè)定律。

　　因此對于毫米波天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，需要到射頻前端電路盡可能近距離以減小衰減和實(shí)現實(shí)時(shí)的波束跟蹤和控制。

　　所以，小型化的毫米波天線(xiàn)將會(huì )很可能采用AiP(Antenna in Package)封裝天線(xiàn)技術(shù)跟其他零件共同整合在同一個(gè)封裝中。

　　AiP的制造是在SiP(system in package)的基礎上，用IC載板來(lái)進(jìn)行多芯片SiP系統級封裝，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，使封裝結構更緊湊。需要將天線(xiàn)、射頻前端和收發(fā)器整合成單一系統級封裝。

　　AiP將天線(xiàn)集成到芯片中，其優(yōu)點(diǎn)在于可以簡(jiǎn)化系統設計，有利于小型化、低成本。以60GHz為例，片上天線(xiàn)單元僅為1-2mm(考慮到封裝具有一定的介電常數)，因此芯片封裝不但可以放得下一個(gè)單元，而是可以放得下小型的收發(fā)陣列。

　　封裝天線(xiàn)的結構自上而下依次為：天線(xiàn)、中間介質(zhì)層(內部有空腔)、系統PCB。

　　一般IC芯片封裝天線(xiàn)將天線(xiàn)集成在芯片上表面，中間層即天線(xiàn)的下方有一個(gè)內部空腔，用來(lái)放置其他RF模塊。

　　為了減少天線(xiàn)與腔體內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(xiàn)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系統地平面連接。

　　六、5G手機的其他挑戰

　　5G手機里的無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)設計相比于以往難度更大，原因是天線(xiàn)設計不僅需要滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)技術(shù)本身的要求，還要與攝像頭、聲音喇叭、電池、顯示屏、指紋識別芯片、振子、陀螺儀以及無(wú)線(xiàn)充電系統兼容。

　　1、電池

　　電池性能一直是手機設計的一個(gè)重大瓶頸。從1995年到2014年，無(wú)線(xiàn)容量增長(cháng)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設計也受到限制，主要原因是進(jìn)入納米級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(zhù)會(huì )繼續為制約5G手機的設計。

　　目前看來(lái)，新材料制程，如基于傳統硅的三五族化合物，基于SOI的CMOS工藝，FinFET、SiGe以及InP可能會(huì )在5G SoC設計中貢獻力量。

　　3、PCB板

　　5G手機的多層板設計也需要更加緊湊，并且需要集成進(jìn)入更多的SoC芯片組來(lái)增加各種應用、配合新標準和技術(shù)。

　　4、手機后蓋

　　手機外殼會(huì )對天線(xiàn)性能產(chǎn)生重大影響。

　　天線(xiàn)在裝配在手機殼當中后，還要求天線(xiàn)具有高效率和低SAR比吸收率。因此，手機中的天線(xiàn)設計是應該考慮到金屬外殼、手機殼等的復合設計。

　　窄邊框和金屬殼是目前手機的主流趨勢，因為具有保護性能好、美觀(guān)、可攜帶以及散熱方面的優(yōu)勢。毫米波天線(xiàn)由于本身尺寸很小在空間排不上難度不大，但是手機金屬殼會(huì )嚴重影響天線(xiàn)性能。

　　5、金屬微波屏蔽罩

　　在整個(gè)5G手機系統設計的方面一個(gè)更嚴峻的問(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。

　　手機內部的顯示器、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，從而保護使用者受電磁輻射的危害，同時(shí)避免對周?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(cháng)顯示器使用壽命。

　　無(wú)天線(xiàn)不5G。5G所使用的新頻段、新技術(shù)都將為手機天線(xiàn)的設計與制造帶來(lái)一系列新挑戰，而手機天線(xiàn)的變化又將反過(guò)來(lái)影響5G手機的整體設計。與此同時(shí)，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(xiàn)設計的難點(diǎn)。