现代手机的天线设计应对策略 - 全文

　　自2007年iPhone问世以来的十年间，智能手机个头在不断变大，而其“罪魁祸首”就是屏幕尺寸增大所逼。

　　来看看屏幕的平均数据：智能手机的平均屏幕尺寸从3英寸扩大到4英寸花了5年时间，但从4英寸扩大到目前的5英寸只花了两年时间。

　　

　　虽然这些年手机屏幕一直都有往大尺寸方向演进，但屏幕过大时不利于用户操作和体验，所以发展到5.5寸后，屏幕的尺寸增加开始缓慢。而到了2017年，全面屏手机开始受到厂商的关注。

　　相比普通手机，全面屏手机具备更窄的顶部和尾部的区域和更窄的边框。在整机大小不改变的情况下，减小手机屏的边框，长宽比例增大，增加屏占比，可以让用户拥有更大屏幕的使用体验。

　　从人机工程学的角度看：18:9会更符合单手操作，同时更大的屏幕可满足同时运行两款软件并分屏操作，近期Android 7.0版本，增加了系统底层对多窗口的技术支持，分屏操作会因为全面屏手机的推出而慢慢成为用户的习惯。

　　从整机尺寸的角度看：5.7寸的全面屏手机与普通5.2寸手机的整机尺寸比较接近，但显示区域大大增加，显示内容也更多，便于减少翻页次数，使操作更加便利。

　　

　　全面屏的核心优势就在于超高的屏占比，不仅可以带来更好的视觉体验，同时外观也会显得更加简单漂亮。但全面屏也给手机整机带来了很多问题，如前置摄像头、指纹识别、 听筒 、距离传感器、甚至天线都需要跟进调整设计。而天线作为手机用于收发信号的重要部件，其所受影响也更大。

　　手机天线是全向，需要净空区

　　天线是接收和发送信号（电磁波）的设备，是无线通信最关键的零件。尽管天线的物理构成较为简单，但是其设计和构造复杂，涉及到手机内部环境的方方面面，需要考虑很多因素。

　　

　　天线的方向性是指天线辐射的信号在特定方向上的强度。手机天线是全向天线，也就是说在天线横截面360°各方向的信号辐射强度相同，以实现最佳通信效果。要实现全向通信，手机内的天线周围需要足够开阔的空间，不能有屏蔽或干扰。

　　

　　全向天线的辐射示意图

　　电磁波会被金属屏蔽，导电的金属能对电磁波产生反射、吸收、和抵消等作用，因此在设计天线时，应远离金属零部件，并避免接触其他降噪元件。

　　同时，电磁波容易受到干扰。电磁波干扰传输主要可以分为两种形式：传导传输式和辐射传输式。

　　传导传输式，即干扰源与天线之间有完整的电路连接，干扰信号通过这个连接电路传递到天线。这个传输电路可包括导线、电源、电阻、电感、电容等一系列元件。

　　辐射传输式，即干扰能量以电磁场的形式向空间发射，干扰形式主要包括三种：来自其他天线发射的信号（天线对天线耦合）、靠近电流的空间电磁场（场对线的耦合）、两股平行电流之间的感应（线对线的耦合）。

　　

　　电磁波会被金属屏蔽

　　因此，手机天线设计时，不仅应远离金属元件，而且还应隔离电池、振荡器、屏蔽罩、摄像头等不相干的零部件，给天线留出一段干净的空间（简称净空，clearance），保证天线的全向通信效果。

　　在手机天线设计中，天线的净空是关键的考虑因素之一。通常而言，天线的环境设计要求总结如下：

　　金属类壳体、装饰、导电喷涂等应距离天线20mm以上，因为手机内置天线对其附近的介质比较敏感；

　　电池（含电连接座）与天线的距离应在5mm以上；

　　当采用天线RF双馈点是，RF与地焊盘的中心距应在4~5mm之间。

　　PIFA天线与单极天线两种手机天线方案的应用条件和部分性能比较

　　

　　

　　全面屏手机净空区域减小，天线设计难度提升

　　由于手机屏幕上下边框变得更窄，天线与金属中框的距离更近，“净空”比传统屏幕更少。另外全面屏手机受话器、摄像头等器件的影响需要更高的集成度，与天线的距离也更近，给天线留下的“净空”区域比传统屏幕更少，对射频挑战更高。

　　以前16:9的屏幕，最终给天线留下来的净空在7-9毫米（LCM背光模组到整机底端一般会有9mm左右的主净空），现在到18:9的屏幕时，留给天线的空间大概只有3-5毫米（如三星S8的LCM背光到整机底端只有不到5mm的主净空），甚至更窄。

　　

　　一般来说，天线是围绕着手机外框部分来说的，上面一个主天线，下面一个从天线。“影响天线最大性能的部分就在于你给天线留下多少空间”，Qorvo中国区移动产品事业部销售总监如是解释，“天线空间如果大，它覆盖的频段也好、效率也好，本身的性能也就更好一些。但是全面屏挤占了天线的空间，挤压的结果使得天线效率变差，最终影响了 TRP（Total Radiated Power）也就是天线的整体发射功率。”TRP 的标准是由运营商规定，频段都有规定的数值，必须做到规定的TRP才能够通过场测，满足供应商的要求，不然你做不了。

　　可以说，这将考验每一个天线厂商的工艺水平，力求将智能手机屏幕的上下留出的空间做的越窄越好，否则天线部分的损耗是比较大的。

　　

　　从频段方面讲，天线越长就能够覆盖更低的频段，高频段反而对天线的尺寸要求不高。所以一旦天线空间受到挤压后，影响最大的便是低频，使得带宽变窄。从数字上来看就是 TRP 的数值在下降，从16:9转变为18:9的屏幕时，像LTE B1、LTE B3、LTE B5这样一个TRP的数字实际上已经不符合CMCC要求了，比CMCC要求低了。

　　从智能手机对MIMO、2CA、3CA、4CA和5G、以及低频600兆的需求来看，天线的个数还要不断增加。如果具备以上所有功能的话，智能手机原来只需2-4个天线，换做全面屏就要增加至4-7个天线，天线数量也在不断增加中。

　　全面屏手机净空区域减小，天线设计问题如何突破

　　当前对于天线的解决方案分别有屏背后金属切除，LDS天线技术和整合天线与其他零件三种。对于全面屏下的天线的解决方案有两种思路，一种思路是扩大手机内部的净空区域，对应的解决方案为屏背后金属切除。第二种思路是减小天线所需的净空区域，对应的解决方案有LDS天线技术、整合天线与其他零件。

　　

　　屏背后金属切除：增加手机内部净空区域

　　可以掏空角落部分的背板金属，以保证足够的净空。手机屏幕的最后一般会有一块金属背板，起到保护屏幕、散热等作用。天线一般安装在主板上，但由于金属背板的存在，其位置一般不能放置于屏幕后面。在全面屏时代下，可以将上下边框角落的金属背板挖掉，留出足够的空间供天线使用。不过，这种方式会导致屏幕的强度变低、并增加加工成本。

　　

　　iPhone 5s 的金属屏幕背板

　　

　　切除天线所在部分金属背板

　　此外，为了获得更好的天线空间，三环和顺络陶瓷盖板，以及信利的玻璃盖板则为手机天线设计提供了更好的环境。

　　解决全面屏天线设计问题，除终端厂商努力外，射频器件厂商也在不断地尝试，如：第一是开源的方式，提高 PA 的功率，如果 PA 的功率大，即便被吸收掉一些，最终释放出去的还是多的。第二就是 ET 或者 boost 的方式，通过把电压升高以提升 PA 的功率。（如果把整个电路的功率提高，对滤波器、双工器也有特别的要求，需要支持更高功率的High Power Filter。）还有就是利用Impedance Tuner（阻抗调谐）和Aperture Tuner（天线调谐）的方式，帮助提高天线的效率。