5G智能手机关键组成技术——天线技术

Labs 导读

5G智能手机牵涉到整个产业链的技术升级，它和4G手机的区别在什么地方，哪些技术又会在5G智能手机的普及当中起到关键作用，下面我们来浅谈一下，5G智能手机关键组成技术（一）——天线。

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手机，到底是怎么组成的

通常意义上，手机大致可分两种，一种是功能机（Feature Phone），基本上只有打电话、彩短信功能，如当年Nokia、Motorola就是功能机时代的霸主，时过境迁现在只有在特定领域出现或是老人机等形式存在；另一种就是自iPhone诞生之后更为常见的智能手机（Smart phone），现以iPhone、Samsung及华米OV为代表。随着通信技术不断发展，手机已经由承载简单功能向同时可支持话音、数据、音乐、视频等富媒体方向发展，同时可以扩展安装各种各样的应用APP来满足人们各种需求。

为了方便大家理解，我们做了一个简化和抽象的示意图。如下，现如今一部可支持打电话、发短信、各种上网服务并支持各种APP应用的智能手机，通常至少应该包含六个部分：天线、射频、基带及应用处理器、软件、外设及电源管理。下图是最基本的原理示意，可以说是缺一不可，正基于此，接下来我们分别做进一步介绍，限于篇幅，本文将首先围绕天线部分展开。

手机抽象结构示意图

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现在的智能手机还用得到天线吗

天线是无线电波发射或接收用的一种装置，其功能主要在电磁场基本原理下，通过电场和磁场的相互转换，完成电磁波的辐射和接收。具体过程就是将发射机输出的电路信号能量转换成电磁波辐射出去，或将空间电磁波信号转换成电路信号能量送给接收机。换句更容易理解点儿的话说，天线的工作就是完成我们常说的信号的发送和接收。

一般情况下，天线是一根具有指定长度的导线，长度多为波长的1/4~1/2，因此传播频率越高，天线的长度越短。移动通信网络从最初的1G/2G发展到如今的4G/5G系统，手机支持的通信频率也逐渐达到了GHz频段，于是手机天线的尺寸也经历了从大到小，从外置到内置的变化。与此同时，终端也由功能机时代到了智能机时代，而且手机生产制造工艺在不断进步，消费者对于手机产品外形美观和成本等因素也日益重视，手机不断向小型化、智能化、轻薄、窄边框方向发展。

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什么是天线最基本的衡量指标

天线的设计经常受到手机外形、结构、电路板布局、金属件等因素影响，开发难度日益加大。手机天线的设计已经不是局部问题，早已成为手机系统设计的重要组成，不仅要充分考虑天线类型、馈电方式以及天线在设备中的摆放方式，还要兼顾宽频段、高效率、低SAR值、隔离度等技术要求。不仅需要满足天线的基本射频性能指标，包括方向性、阻抗、极化、驻波比、回波损耗、增益、效率等，还需要满足移动终端产品整机射频性能指标的要求。比如与手机天线密切相关的主要测试指标包括OTA测试指标、SAR测试指标和EMC测试指标。

注：

1、OTA测试指标主要是对终端产品工作频段内的辐射性能和接收性能进行测试，主要包括 TRP（总辐射功率）和TIS（总接受灵敏度）两个分项指标。

2、SAR（电磁波吸收比值）测试指标和EMC（电磁兼容）测试指标为政府强制入网指标。SAR测试指标主要反映终端产品对人体辐射程度，对该指标限制目的在于避免过高辐射强度可能对人体安全造成的伤害；EMC测试指标主要反映终端产品带外辐射是否超出规定指标，影响到其他频段内电子设备的正常工作。SAR 测试指标和EMC测试指标越小，对人体安全影响和其他频段内产品正常使用影响越小。

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手机天线种类及设计中遇到的困难和挑战

目前常见的手机天线设计多以外壳注模，金属支架和FPC天线三种方式为主。特别是之前以iPhone手机金属外壳为代表，逐步将天线注塑在金属外壳上，在手机内部则使用少量的金属支架天线。

手机外壳注塑天线和FPC天线

伴随2G/3G/4G/5G移动通信技术一路演进和多网络并存，智能手机及扩展应用不断涌现，所需要支持的通信频段和无线连接方式也越来越多，尤其高端旗舰手机要一机走遍全球，至少要支持超过40个以上的通信频段。更为严重的是，智能手机中的天线还在变得更多，手机天线概念也不仅限于满足移动通信，越来越轻薄的尺寸中还需要容纳和支持越来越多的天线，如Wi-Fi天线、Bluetooth天线、GPS天线，NFC天线等各种无线连接方式，甚至现在逐渐流行的无线充电，用的充电线圈也是一种天线，手机天线需要支持的频段和数量种类也不断增多，设计挑战难度越来越高。

另一方面的挑战来自于屏幕，这些年智能手机的持续创新之一就是始终围绕提高屏占比而努力，制造商们开始推出更轻薄、无边框设计屏幕和18:9屏幕高宽比的全面屏手机。因为天线必须置于屏幕区域之外，可用于天线设计的面积因此减少50%以上，同时屏幕顶部和底部的边框宽度减少到3-4 mm，更由于屏幕高宽比的变化，手机也开始变得更窄，这些变化都意味着手机天线必须变短，进而影响性能。

由于屏占比的提高给天线设计留下的空间更为狭小

天线面积和长度的减少会直接影响性能和效率，其发送和接收性能势必遭受影响，也带来各种弊端，包括缩短电池续航时间短、辐射范围变小、速率变低等。

图源qorvo：天线面积减少直接影响天线效率

目前4G通信的频段是2.6GHz，而5G主力使用的通信频段也在6GHz以下，因此当前支持5G低频Sub-6频段在手机天线尺寸上不会与4G有较大变化，多为天线组合数量上的变化。如4G手机一般需要4-6根天线，5G手机已普遍超过10根天线。以华为Mate30为例，手机天线甚至已多达21根天线。当然，这里并不像华为余承东总说的这21根都是用作5G，就像上文所说，这里其中2根给GPS用，2根给Wi-Fi的2.4G用，2根给Wi-Fi的5G用，1根给NFC用，除此外的14根才是真正的移动通信天线，支持5G、4G及一系列通信制式的组合。

图源华为发布会和Geekbar：华为Mate30手机21根天线设计

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如何看今后手机天线设计之趋势

随着手机内部空间进一步压缩紧凑，很难再找到一块平整的平面用于天线设计。目前为了控制成本，一些中低端手机仍在大量使用FPC（柔性电路板，可以理解为类似手机排线样式的天线）天线，但FPC加工精度，粘结工艺等，信号的质量并不稳定，但其优点也不应该被忽视，那就是FPC天线可折叠，可弯曲成任意的形状，可以应对人们对便携设备尺寸和设计的更高要求。因此，为了发挥其优势的同时又避免其存在的部分劣势，业内逐渐引入具有很好高频特性LCP材质的FPC天线并加以重视。

由于5G对天线的精度和可靠性有更高的要求，LDS(Laser-Direct-structuring)天线技术已是手机天线设计的首选方案。LDS技术是利用激光镭射直接在成型的塑料支架上镀成金属天线形状，该技术避免了手机内部元器件的电磁干扰，保证了手机的信号，同时也增强了手机的空间的利用率，使得智能手机在5G时代仍然可以保持一定程度的纤薄。

相比于目前Sub-6GHz的5G频段或是即将引入的700M 5G频段，未来5G毫米波的商业化引入才是对手机天线设计的极大挑战。5G毫米波之所以成为毫米波，是因为几十GHz的频率导致其波长已经缩减到了毫米级。波长的大幅度减小带来的问题是电磁波绕射能力变差，衰减变得异常明显。

为改善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解决，但是在手机内部为了保证信号的完整性，需要将射频前端尽可能靠近毫米波天线，而毫米波天线的小尺寸，给天线和射频前端、收发器等器件共同封装提供了可能，狭长的芯片形状便于直接嵌入手机边框里。

图源高通：高度集成化的5G毫米波天线模组

如上图，高通最新发布的毫米波天线模组里面包含了超小尺寸的相控天线阵列，该天线模组支持波束赋形、控制和跟踪，大大改善了毫米波信号的传输范围和可靠性。当然，毫米波天线模组相较于过去非标准化的天线，这种标准化会带来了诸多便利，但依然要面对手机内部狭小空间的布局挑战。

高通毫米波天线模组在手机中集成

5G手机天线设计相比于过去难度更大，不仅要考虑无线技术本身，还要考虑与电池、摄像头、声音喇叭、显示屏、指纹识别芯片、无线充电项圈等系统兼容，同时兼顾在狭小的方寸间有效解决多天线布局问题。

综上可见，天线尽管平常并不起眼，但其设计及性能却直接关乎了手机的产品体验。

审核编辑 ：李倩