網絡信號全靠它淺析智能手機的天線設計

來自5G手機的變化

三星Galax丫S10和小米MIX3都同時存在4G版和5G版（圖1），它們不僅售價大幅提升，GalaxyS10 5G版（4500mAh）的電池容量也要比Galaxy S10+4G版（4100mAh）多了400mAh，而小米MIX3 5G版（3800mAh）的電池也比4G版（3300mAh）增加了500mAh，加大的電池就是為了應付更大的5G功耗。

此外，5G手機在機身材質的選擇上還將徹底摒棄全金屬一體化的設計，全面改用玻璃或塑料材質后蓋，從而確保5G信號的接收強度，為超過2Gbps的下行速率奠定堅實的物理基礎。那么，5G手機為何價格和功耗更高，對信號溢出的要求更加苛刻？

射頻與天線成核心

在3G和4G時代，Modem（調制解調器，又稱基帶）是決定手機網絡性能的核心元件（圖2）。到了5G時代，射頻（電路）與天線（設計）將進一步成為與Modem并列的核心，且更加考驗手機廠商的研發實力。

所謂“射頻電路”即手機內部接收通路、發射通路和本振電路組合的統稱，再往下分還可擴展出射頻收發信機芯片、射頻收發信機電源管理芯片、天線、天線開關、濾波器、高放管、中頻集成塊、頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器等諸多模塊。其中，天線設計又將成為重中之重，它將影響手機能支持多少頻段以及可以實現的最高上/下行速率。

需要注意的是，天線的工作原理是通過電場和磁場的相互轉換，完成電磁能量的輻射和接收。除了2G、3G、4G乃至5G移動通訊信號以外，Wi-Fi、藍牙、GPS、NFC和無線充電（線圈）等功能同樣需要天線來作為接收和發送信號的載體。隨著手機越來越薄、屏占比越來越高，想在有限的空間里讓這些用途不同的天線和睦相處并非易事。因此，在了解5G對天線提出的新要求之前，咱們不妨先來回顧一下智能手機天線在這些年的變化。

5G之前的天線設計

還記得最早的手機天線是什么樣子的嗎？沒錯，它就長在手機的“腦袋”上，就好像如今路由器的天線一般裸露在外（圖3），以今天的眼光來看非常影響觀瞻。1999年，諾基亞3210終于“干掉了”這個突兀的存在，首次在手機領域引入了內置天線設計，并一直延續至今。只是，從功能機再到如今的最新款智能手機，其內置天線的材料、位置和工藝都出現了質的變化。

FPC柔性天線參上

功能機時代的天線咱們就不說了，以iPhone1為代表的早期智能手機大都采用了名為“FPC”（Flexible PrintedCircuits，柔性電路板）的內置天線工藝，它是一種可靠性很高、輕薄、彎折性好的印刷電路板（圖4）。和傳統的由金屬彈片+塑料支架組成的天線相比，FPC具備易于修改、模具開發成本低的優勢（圖5），裝配時FPC只要貼在材料表面上即可，直到如今還有不少手機的NFC天線依舊采用FPC工藝。

來自金屬中框的嘗試

早期智能手機為了提升檔次，質感廉價的塑料肯定不符合要求。在iPhone 4時代，蘋果開始引入不銹鋼材質的金屬邊框，結合前后玻璃面板堪稱同期手機中的“顏值擔當”。iPhone 4的天線設計比較奇葩，它在金屬邊框內焊接了形狀復雜的金屬片，從而讓邊框充當了天線的作用。

問題來了，金屬材質對信號有著極強的屏蔽作用，iPhone 4為了讓各種信號能透過金屬邊框，還特意在邊框上開了2道縫隙（兩段式方案）用于信號的溢出。然而，這種設計依舊存在嚴重的Bug——當緊握手機下部時，可能引起兩段式天線的連接處發生短路，從而導致信號質量嚴重縮水，這個問題在當年被稱為“死亡之握”（圖6）。為了解決這個Bug，蘋果曾建議iPhone 4的用戶使用保護套加以趨避，并給隨后的Phone 4S的金屬邊框增加了1道縫隙（圖7），還借助三段式方案和接收分集功能不再受死亡之握的困擾。

至此，手機廠商們都認識到了金屬材質和信號之間的矛盾關系，凡是采用金屬邊框的手機都會在邊框上預留幾道縫隙;采用金屬后蓋時也會選擇三段式機身設計，即中間為金屬，上下兩端為塑料;采用全金屬一體化的機身時，也都會留有納米注塑工藝的信號條設計（圖8），用來減小手持對天線接收信號的影響。

LDS天線漸成趨勢

在智能手機熱衷引入金屬材質，以及手機機身越加輕薄之際，FPC工藝天線在性能和可靠性上都很難符合要求。此時另一種匕DS（LaserDirect Structuring，激光直接成型）的內置天線工藝就浮出了水面。

LDS可以利用計算機按照導電圖形的軌跡控制激光的運動，將激光投照到注塑成型的三維塑料器件上，從而鍍上厚度為5微米到10微米的金屬層，最終實現材料的三維電路。簡單來說，LDS就是一種可以在塑料材質上進行化鍍并形成金屬天線圖案的技術，它比FPC的精度更高，穩定性更好，可以直接在金屬（或玻璃）后蓋內層的塑料支架上鍍上各種天線圖案（圖9），從而大大節約手機內部空間，并可防止內部器件相互干擾。

全面屏的凈空困局

當智能手機步入全面屏時代后，眾多新品開始追求“屏占比”這一參數，至此全面屏手機紛紛展開了“額頭”和“下巴”邊框的“殲滅戰”。問題來了，智能手機的各種天線恰好就位于上下邊框附近，為了避免天線與其他元器件之間相互干擾，需要留出足夠的“天線凈空區”。

在傳統16：9屏幕時代，留給天線的凈空區多在7mm到10mm之間，而到了全面屏時代，凈空區就只剩下3mm到5mm（圖10）。按照傳統思路，這點空間很難解決天線和其他元器件之間的干擾，以及發揮4G網絡的性能潛力（需要500平方毫米的天線面積）。

此時，就需要LIDS工藝天線和其他技術與材料的協同作戰了。比如，引入LCP這種低耗損的柔性材料代替同軸電纜實現與線路板的轉接、通過開源等方式提升射頻單元的功率、使用更多更優的電調諧器件，而更有效的解決方案，就是利用LIDS將天線和其他元器件合為一體，比如覆蓋PCB表面的塑料襯板（圖11）、揚聲器單元表面都能用于鍍上天線圖案（圖12）。

5G時代的天線設計

早在驍龍835/845和麒麟970時代，不少高端手機就借助4CA（載波聚合）技術和4X4 M}MO（多輸入多輸出天線陣列）技術獲得了超過1Gbps的下行速率，從而邁入了4.5G網絡的門檻。到了5G網絡時代，其對下行速率的最低要求也是2Gbps起（理論最高可達20Gbps），同時還需要具備更低的延遲且支持萬物互聯。

問題來了，想實現上述5G網絡的特有屬性，需要無線電波的波長是毫米數量級的“毫米波”，而毫米波與4G網絡使用的“厘米波”相比信號衰減得非常厲害，在不能隨意增加發射功率（安全上不允許）的前提下，唯有盡可能減少手機機身材料對信號的屏蔽影響，并進一步增加發射天線和接收天線的數量。在這個大環境下，傳統的全金屬一體化機身設計自然就得徹底退出歷史舞臺了，以玻璃和陶瓷為主的材料將成為新款手機中的香悖悖。

5G手機的售價為何更加昂貴？這背后所體現的，就是全新天線陣列的成本和設計難度了。比如，高通就為驍龍855移動平臺和驍龍X55調制解調器準備了型號為QTM052的mmWave毫米波天線模塊，它集5G無線電收發器、電源管理}C、RF前端和相控天線陣于一身，實現了一度難以想象的小型化設計（圖13）。高通表示，要想提高設備應對信號衰減和抗干擾的能力，一款5G手機上最多可以安裝4個QTM052模塊，其背后的成本最終都要轉嫁到消費者頭上。

此外，作為第一批邁入4.5G時代的三星Galaxy S8（2017年發布），其內部用于移動通信的天線就達到了5根，包括2根主天線、2根分集天線和1根載波聚合天線，其中主天線和分集天線恰好可以組成4×4MIMO模式下的接收天線。在5G時代，想實現更高的下行速率4×4 MIMO只是最低門檻，8×8MIMO才是主流，此時保守的天線數量也要在8根到10根，而第六代Wi-Fi技術也需要MIMO天線陣列的配合，這就對手機內部天線的走勢布局提出了更高的要求（圖14）。更多的天線和更復雜的天線陣列，自然也會帶來功耗的提升，而這也就是為何5G手機普遍都會進一步增加電池容量的原因。

小結

在4G手機時代，相同規格的智能手機在網絡性能（下行速率）上基本處于同一個檔次。而5G手機之間可能就會因天線設計而出現較大的差異了，目前已知5G手機的下行速率就存在最低2Gbps和最高4.6Gbps，這些都是需要引起我們重視的指標。