從大哥大到iPhoneXS，天線技術(shù)已改頭換面

　　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)下最熱門的話題。而對于每一臺(tái)5G手機(jī)來說，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)與制造帶來一系列新挑戰(zhàn)，而手機(jī)天線的變化又將反過來影響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

　　天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。

　　一般情況下手機(jī)天線長度一般為波長的1/4~1/2，因此傳播頻率越高，天線的長度越短;且對應(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)也勢必將引入新的天線。

　　不過Sub-6和毫米波通信由于本身的頻率差別很大，在手機(jī)天線設(shè)計(jì)上會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

　　現(xiàn)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(yùn)營商的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)簡單解釋如下：它是通過使用多個(gè)發(fā)射、多個(gè)接收天線，在單個(gè)無線信道上同時(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)，歷代的無線通信技術(shù)都會(huì)使用先進(jìn)的天線技術(shù)來提高網(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。

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

　　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，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的無線充電，用的充電線圈也是一種天線。

　　我們先從通訊功能說起。最早的手機(jī)天線是四分之一波長天線，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，所以天線的長度有9.4cm。這種天線已經(jīng)在目前使用的手機(jī)上很難見到，而是被大量的用在無線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。

　　對于目前的手機(jī)及來說，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。

　　出于對射頻前端及基帶處理的設(shè)計(jì)考慮，目前天線的設(shè)計(jì)方式是針對不同的應(yīng)用，設(shè)計(jì)成不同的窄帶天線。

　　而且上文提到，除了通訊功能之外，手機(jī)的Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS、NFC、無線充電等功能都需要用到不同的天線。

　　以三星旗艦智能機(jī)S9為例，其內(nèi)部有傳統(tǒng)的移動(dòng)通信主天線(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(jī)的下部和左下部。

　　GPS天線位于左上部，近場通信天線(NFC，Near Field Communication)和無線充電線圈在手機(jī)中部。

　　此外，手機(jī)中還集成了先進(jìn)的磁性安全傳輸線圈(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(jī)發(fā)射信號來模擬傳統(tǒng)的磁條卡。

　　三、Sub-6天線：尺寸不變，數(shù)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(jī)天線尺寸上不會(huì)有大變化，仍然會(huì)是厘米級。

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

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

　　天線是一根具有指定長度的導(dǎo)線，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，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。

　　FPC是Flexible Printed Circuit Board的簡稱，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，配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好。

　　軟板使用塑料膜中間夾著銅薄膜做成的導(dǎo)線，在幾乎所有電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用，例如硬盤的帶狀引線、數(shù)碼相機(jī)、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和汽車電子中。

　　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)

　　和Sub-6相比，毫米波則要更復(fù)雜一些。

　　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)大大減小天線的尺寸。

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

　　高頻帶來的衰減問題，從空間傳播上可以用MIMO多天線和波束賦形來解決，但是在手機(jī)內(nèi)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。

　　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：Qualcomm QTM052毫米波天線模組系列、Qualcomm QPM56xx sub-6GHz射頻模組系列。Qualcomm QTM052將無線電收發(fā)器，電源管理IC，RF前端組件和相控天線陣列集成在一起。

　　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。

　　與此同時(shí)，多天線之間也存在隔離度問題。MIMO天線不再是傳統(tǒng)的一根導(dǎo)線分頻段取信號模式，在手機(jī)狹小的空間中，連續(xù)成片設(shè)計(jì)天線區(qū)域有限，后蓋應(yīng)該是最佳的布設(shè)天線的區(qū)域。

　　下圖給出了針對5G手機(jī)提出的一種分布式相位陣列MIMO結(jié)構(gòu)的手機(jī)設(shè)計(jì)方案，其中有8個(gè)相控陣列單元形成波束賦形模組，內(nèi)嵌在手機(jī)殼背面下方。

　　8個(gè)天線將會(huì)配合不同的用戶使用場景進(jìn)行工作。針對不同的應(yīng)用場景，會(huì)有不同的來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(yán)重，但是在高頻毫米波工作方式下，信號的衰減尤其嚴(yán)重。

　　因此針對不同的場景，手機(jī)中的天線將會(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(jī)功耗，還可以更大程度上保證信號的穩(wěn)定性。

　　波束賦形則是針對信號來源方向?qū)μ炀€的方向性進(jìn)行調(diào)整，因此需要對每個(gè)天線進(jìn)行單獨(dú)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(tǒng)上講，與天線配合工作的射頻前端芯片需要針對每個(gè)天線單獨(dú)控制，因此不僅是MIMO天線數(shù)量的會(huì)直接增長，射頻前端電路的需求量和天線是同步的。

　　不過，IEEE Access論文中同時(shí)提到，多天線對信號波束的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整可能會(huì)使得手機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)的限制因素。

　　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。

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

　　所以，小型化的毫米波天線將會(huì)很可能采用AiP(Antenna in Package)封裝天線技術(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(chǔ)上，用IC載板來進(jìn)行多芯片SiP系統(tǒng)級封裝，同時(shí)還需要用到Fan-Out扇出型封裝技術(shù)來整合多芯片，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)級封裝。

　　AiP將天線集成到芯片中，其優(yōu)點(diǎn)在于可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有利于小型化、低成本。以60GHz為例，片上天線單元僅為1-2mm(考慮到封裝具有一定的介電常數(shù))，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。

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

　　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，它通過四周均勻分布的金屬過孔與整個(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，無線容量增長了大約10萬倍，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)帶來能量消耗的進(jìn)一步提高，電池性能問題會(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，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)對天線性能產(chǎn)生重大影響。

　　天線在裝配在手機(jī)殼當(dāng)中后，還要求天線具有高效率和低SAR比吸收率。因此，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，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。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)避免對周圍其它電器的干擾、在一定程度上還確保了元器件免受灰塵，延長顯示器使用壽命。

　　無天線不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)與制造帶來一系列新挑戰(zhàn)，而手機(jī)天線的變化又將反過來影響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)。