移動(dòng)終端天線技術(shù)的發(fā)展

北京京東方顯示技術(shù)有限公司 胡偉頻 王 丹 邱 云 孫 曉 王 純 魏從從

目的：為了分析移動(dòng)終端天線技術(shù)特點(diǎn)和要求。方法：文章從天線的基礎(chǔ)原理和結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹了適用于便攜式移動(dòng)終端的內(nèi)置小型化天線類型和制造工藝，小型化天線類型包括微帶天線、縫隙天線，以及平面單極子天線、倒L天線、倒F天線、平面倒F天線、Loop天線等，制造工藝包括PCB天線、陶瓷天線、鋼片天線、FPC天線、LDS天線、金屬中框天線等。結(jié)果：得出了移動(dòng)終端根據(jù)不同機(jī)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，對(duì)不同天線類型、制作工藝，以及終端ID的不同選擇性。結(jié)論：最后展望了5G高速移動(dòng)通訊時(shí)代挑戰(zhàn)下的終端天線技術(shù)發(fā)展。

天線廣泛應(yīng)用在人類生產(chǎn)、生活之中，其作用是輻射或接收自由空間中的電磁波，如圖1所示，在發(fā)射端，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)饋線輸入到發(fā)射天線，發(fā)射天線將高頻振蕩電流變換為自由空間中的電磁波；在接收端，接收天線將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)變成高頻振蕩電流，高頻振蕩電流經(jīng)饋電設(shè)備傳送到接收機(jī)。

天線輻射或接收電磁波的過(guò)程實(shí)質(zhì)為“電生磁”或“磁生電”的能量變換過(guò)程。“電生磁”現(xiàn)象如圖2(a)所示，指的是電流通過(guò)直導(dǎo)體，在導(dǎo)體周圍的空間產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)的現(xiàn)象，通過(guò)導(dǎo)體的電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。發(fā)射天線即為“電生磁”現(xiàn)象中的導(dǎo)體，交變電流通過(guò)天線，天線周圍生成交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)與導(dǎo)體周圍的交變電場(chǎng)疊加，表現(xiàn)為電磁波的形式進(jìn)行傳播，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的輻射；“磁生電”現(xiàn)象如圖2(b)所示為，指的是閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，穿過(guò)閉合電路的磁通量變化越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大。接收天線即為“磁生電”現(xiàn)象中的導(dǎo)體，自由空間中傳播的電磁波經(jīng)過(guò)天線，天線切割磁感線產(chǎn)生交變電流，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的接收。

1 天線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

天線的核心部件是其輻射單元，由導(dǎo)電性較好的金屬制成，用于輻射或接收電磁波。根據(jù)輻射單元結(jié)構(gòu)特征，可將其分為線振子和金屬片兩大類。

圖1 天線輻射/接收功能示意圖

圖2 “電生磁”/“磁生電”示意圖

線振子結(jié)構(gòu)代表天線是偶極子天線和單極子天線。偶極子天線如圖3(a)所示，具有對(duì)稱“雙臂”——兩根對(duì)稱放置的金屬導(dǎo)體，并具有兩個(gè)饋腳，在其中心處進(jìn)行饋電。每根導(dǎo)體長(zhǎng)度為λ/4，總長(zhǎng)度近似為半個(gè)波長(zhǎng)的偶極子天線稱為半波對(duì)稱振子；單極子天線如圖3(b)所示，具有一根金屬導(dǎo)體，安裝在一個(gè)接地平面上，僅有一個(gè)饋腳，在其下端點(diǎn)進(jìn)行饋電，饋線的接地導(dǎo)體與接地平面相連接。單極子天線與偶極子天線在垂直平面上的輻射方向圖相似，但沒(méi)有地下輻射。

圖4 微帶天線示意圖

圖5 平面單極子天線示意圖

圖3 線振子天線示意圖

金屬片結(jié)構(gòu)代表天線是微帶天線和縫隙天線。微帶天線如圖4(a)所示，包括輻射貼片、微帶饋線、介質(zhì)基片以及接地板，輻射貼片可根據(jù)天線輻射特性需要設(shè)計(jì)為方形、圓形、橢圓形、三角形等，微帶貼片天線的輻射基本由貼片導(dǎo)體和接地板之間的邊緣場(chǎng)引起，輻射方向基本確定，一般應(yīng)用于通訊方向變化不大的RFID系統(tǒng)；縫隙天線圖4(b)所示，在金屬片上加載縫隙結(jié)構(gòu)，也稱開槽天線，典型的縫隙形狀是長(zhǎng)條形的，長(zhǎng)邊長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)，用跨接在縫隙窄邊上的傳輸線進(jìn)行饋電，通過(guò)縫隙輻射或接收電磁波。

2 移動(dòng)終端天線的設(shè)計(jì)和工藝

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，手機(jī)、智能手表、筆記本電腦等移動(dòng)終端越來(lái)越普及，這類電子產(chǎn)品移動(dòng)式的使用場(chǎng)景給其便攜性提出了很高的要求，便攜性產(chǎn)品需求驅(qū)動(dòng)其天線的內(nèi)置和小型化。

2.1 小型化天線設(shè)計(jì)

金屬片結(jié)構(gòu)輻射單元天線剖面低，且易于與系統(tǒng)集成，是常用的小型化天線。而線振子結(jié)構(gòu)輻射單元天線應(yīng)用于移動(dòng)終端，需要對(duì)其進(jìn)行更緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而衍生了平面單極子天線、倒L天線、倒F天線、平面倒F天線、Loop天線等。

（1）平面單極子天線（Monopole）如圖5所示：將傳統(tǒng)的單極子天線的細(xì)導(dǎo)體線用具有一定寬度的平面金屬輻射體代替，增大天線帶寬。Monopole常位于移動(dòng)終端頂部或底部，用饋線連接天線輻射單元和PCB的地，天線輻射體下方?jīng)]有地。

（2）倒L天線（ILA——Inverted L Antenna）如圖6所示：由一個(gè)短的單極子加上頂部水平電線組成，相當(dāng)于將傳統(tǒng)的單極子天線折倒了一部分，實(shí)現(xiàn)了剖面降低。由于折倒部分形成了對(duì)地電容分量，倒L天線的輸人阻抗較高。

圖6 倒L天線示意圖

（3）倒F天線（IFA——Inverted F Antenna）如圖7所示：在倒L天線基礎(chǔ)增加了短路結(jié)構(gòu)，以減小折倒振子對(duì)地容分量造成的較高輸入阻抗。由于IFA天線輻射單元、接地線都是細(xì)導(dǎo)體線，其頻帶較窄。

圖7 倒F天線示意圖

（4）平面倒F天線（PIFA——Planar Inverted F Antenna）如圖8所示：在IFA天線基礎(chǔ)上，采用具有一定寬度的金屬片取代細(xì)導(dǎo)體線，相當(dāng)于將一組細(xì)導(dǎo)線的阻抗進(jìn)行了并聯(lián)，從而進(jìn)一步降低輸入阻抗，并增大了天線帶寬。

圖8 平面倒F天線示意圖

（5）Loop天線如圖9所示：將一根金屬導(dǎo)體繞成一定的形狀，導(dǎo)體一端接地，另一端饋電，形成一個(gè)環(huán)形信號(hào)回路。根據(jù)環(huán)形天線的周長(zhǎng)L相對(duì)與波長(zhǎng)λ的大小，環(huán)形天線可分為電大環(huán)（L ≥ λ）、中等環(huán)（λ /4≤ L ≤ λ）和電小環(huán)（L ＜ λ /4）三類。

圖9 Loop天線示意圖

由于移動(dòng)終端設(shè)備空間通常比較緊湊，空間不夠的情況下會(huì)也將天線金屬部枝節(jié)進(jìn)行彎折，在不減小天線電尺寸的情況下縮減天線的體積。且移動(dòng)終端通常會(huì)集成多個(gè)通信系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)通訊頻段的覆蓋，設(shè)備中的天線也需要進(jìn)行一些必要的變形，如增加天線的金屬枝節(jié)個(gè)數(shù)，引入多個(gè)長(zhǎng)度不同的電流路徑，通過(guò)不同的電流路徑對(duì)應(yīng)不同的諧振頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的多頻帶。因此天線實(shí)物相比示意圖所示結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

2.2 小型化天線工藝

外置天線具有信號(hào)穩(wěn)定，制作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉的優(yōu)勢(shì)，適用于大尺寸產(chǎn)品。移動(dòng)終端更適用內(nèi)置天線，可避免天線外置對(duì)產(chǎn)品美觀性、便攜性的影響，不易損壞，也易加諸與人腦之間的反射層和保護(hù)層，降低對(duì)人體的輻射傷害。內(nèi)置天線需要一定的凈空區(qū)，因?yàn)榻饘賹?duì)電磁波具有屏蔽作用，天線若置于金屬板后方，天線輻射的電磁波大部分能量將被反射，小部分能量進(jìn)入金屬轉(zhuǎn)化為表面電流。根據(jù)不同制作工藝，內(nèi)置小型化天線分PCB天線、陶瓷天線、鋼片天線、FPC天線、LDS天線、金屬中框天線等。

（1）PCB天線采用的基材是PCB，將天線金屬部分印在PCB板上，不需單獨(dú)組裝天線，成本低廉。PCB天線容易受到主板的干擾，需要承載于空間富裕的板子。

（2）陶瓷天線采用的基材是陶瓷，使用高溫?zé)Y(jié)陶瓷體，將天線金屬部分印在陶瓷體，成本較高。陶瓷天線占用面積小，相對(duì)PCB天線更適用于空間緊湊的板子。

（3）鋼片天線采用的基材是鋼片，利用傳統(tǒng)的沖壓工藝獲得天線金屬部分的形狀，成本低廉。因要確保沖壓件的平整性，該工藝僅能制備形狀比較簡(jiǎn)單的天線。

（4）FPC天線的基材是柔性線路板，使用背膠貼附于移動(dòng)終端內(nèi)部，成本較低，重量較低。FPC工藝可制作形狀復(fù)雜的天線，適合復(fù)雜頻段的天線應(yīng)用。

（5）LDS天線指激光直接成型技術(shù)制作天線，LDS加工的基材是改性塑料，用激光刻出天線圖樣后電鍍上金屬形成天線，成本較高。LDS工藝可以充分利用產(chǎn)品內(nèi)部各種不規(guī)則的面，設(shè)計(jì)靈活度高，非常適合緊湊空間的產(chǎn)品使用。

（6）金屬中框天線指的是將電子產(chǎn)品的金屬框復(fù)用為天線，利用金屬邊框進(jìn)行輻射，根據(jù)不同天線對(duì)長(zhǎng)度的不同要求，進(jìn)行金屬中框間隔設(shè)計(jì)而成。該工藝可提升產(chǎn)品的質(zhì)感與美感，也大大增加了天線的調(diào)試難度。

3 移動(dòng)終端天線的應(yīng)用

3.1 天線設(shè)計(jì)選型

隨著1G到5G移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)步，移動(dòng)終端逐步加入通訊、藍(lán)牙、WLAN、GPS等無(wú)線通訊功能，常用的天線類型為Monopole、PIFA、Loop天線、ILA、IFA、縫隙天線等，移動(dòng)終端根據(jù)不同機(jī)種的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求選擇其適用的天線類型。

圖10 金屬邊框天線類型

超薄機(jī)種最廣泛采用的天線類型是Monopole，Monopole體積較小，應(yīng)用于超薄機(jī)種具有明顯優(yōu)勢(shì)，其缺點(diǎn)是SAR稍高，對(duì)周圍金屬物件敏感，monopole天線性能與凈空成正比，在終端屏占比越來(lái)越大、凈空越來(lái)越小環(huán)境下應(yīng)用受限。

機(jī)身具有一定厚度的機(jī)種最常用的天線類型是PIFA，PIFA結(jié)構(gòu)中金屬片輻射體平行放置于地平面上，其金屬片下方必須有地，SAR較低，但為確保能量輻射效率，金屬片與地之間需保證一定的高度，因此PIFA在當(dāng)前流行的超薄機(jī)中應(yīng)用受限。

金屬邊框移動(dòng)終端可采用Loop天線、倒L天線、倒F天線，如圖10所示，將金屬邊框作為天線的金屬進(jìn)行輻射。其中，因阻抗匹配需要，Loop天線應(yīng)用于移動(dòng)終端的類型通常為電大環(huán)，環(huán)長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)，相比Monopole、PIFA的λ/4需要更長(zhǎng)的路徑，而當(dāng)手機(jī)為金屬邊框時(shí)，則很容易利用金屬邊框與手機(jī)系統(tǒng)地板形成Loop天線。由于Loop天線上的電流路徑時(shí)閉合的，其抗外界環(huán)境電磁干擾的特性要優(yōu)于ILA、IFA。采用金屬邊框天線的開創(chuàng)者是iPhone 4，但其兩段式邊框設(shè)計(jì)容易導(dǎo)致天線短路，引發(fā)了“天線門”事件。

金屬外殼移動(dòng)終端可采用縫隙天線，縫隙天線是在導(dǎo)體面上開縫形成的天線，可良好的與外殼共形，有效減少天線占用空間，在金屬外殼終端上應(yīng)用具備天然的優(yōu)勢(shì)。但閉合縫隙天線工作在λ/2模式，需要的縫隙尺寸較長(zhǎng)，一端不閉合的開口縫隙天線工作在λ/4模式，雖尺寸相較于閉合縫隙天線縮減了一半，但天線性能極易受到外界電磁環(huán)境的干擾，縫隙天線設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大、帶寬窄，不是主流應(yīng)用。

部分移動(dòng)終端還具有NFC、無(wú)線充電功能，這種近距離無(wú)線通訊使用的天線類型為線圈，工作于近場(chǎng)耦合區(qū)，天線長(zhǎng)度和波長(zhǎng)關(guān)系不大，影響感應(yīng)效率的是線圈的面積和匝數(shù)。以手機(jī)無(wú)線充電為例，手機(jī)和充電底座之間分別內(nèi)置線圈，充電底座內(nèi)置發(fā)射線圈，手機(jī)內(nèi)置接收線圈，充電底座發(fā)射線圈基于一定頻率的交流電感應(yīng)生成交變磁場(chǎng)，手機(jī)和充電底座靠近，手機(jī)接收線圈基于交變磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生一定的電流，從而實(shí)現(xiàn)信息或能量的傳遞。

3.2 天線工藝選擇

天線制作工藝的選擇需結(jié)合天線制作成本和天線性能需求來(lái)綜合選定，以藍(lán)牙天線為例，PCB藍(lán)牙天線在工程師PCB制圖過(guò)程中即可繪制，隨PCB板批次生產(chǎn)出來(lái)，生產(chǎn)出來(lái)的PCB板Cu厚Cu寬批次性差異較大，造成天線性能的批次性差異，部分天線的工作距離較遠(yuǎn)，部分天線的工作距離較近，但其具備低成本優(yōu)勢(shì)，藍(lán)牙鼠標(biāo)、藍(lán)牙鍵盤等對(duì)工作距離要求不高的設(shè)備采用PCB藍(lán)牙天線即可；陶瓷藍(lán)牙天線由專業(yè)天線廠制作，出廠品控嚴(yán)格，剔除不合格品，批次性差異很小，成本較高，但對(duì)于工作距離要求較高的設(shè)備，則優(yōu)先選用性能較好的陶瓷天線。

3.3 終端ID選擇

天線在移動(dòng)終端集成的位置與終端ID會(huì)影響到天線的輻射性能。以智能手表為例來(lái)說(shuō)明，智能手表具備多種無(wú)線通訊功能，成人智能手表功能主要包括藍(lán)牙同步手機(jī)與GPS運(yùn)動(dòng)管理，兒童電話手表功能包括移動(dòng)通話、GPS精確定位、WLAN等，并隨著移動(dòng)支付的發(fā)展，逐漸增加了NFC功能。

智能手表集成天線方式主要為表盤內(nèi)部集成，而表盤面積較小，天線設(shè)計(jì)受限。單極子天線是智能手表常用天線類型之一，為減少天線所占用的尺寸面積，采用單極子天線時(shí)常利用表盤的厚度空間，將天線振子設(shè)計(jì)成立體結(jié)構(gòu)。與iphone4手機(jī)天線概念類似，智能手表也可考慮采用金屬邊框作為天線，而加入NFC功能的話，NFC天線線圈常集成于表盤內(nèi)部，這將與金屬外框產(chǎn)生干涉。另外一種設(shè)計(jì)思路是將天線集成到表帶中，從而突破表盤面積限制，可制作尺寸較大的天線，提高天線效率。

4 移動(dòng)終端天線的發(fā)展趨勢(shì)

5G（Fifth-Generation）時(shí)代已然到來(lái)，3GPP（3rd Generation Partnership Project）規(guī)定的5G標(biāo)準(zhǔn)中，使用頻率包括FR1頻段（450MHz-6GHz）和FR2頻段（24.25GHz-52.6GHz）。FR1頻段稱Sub-6GHz頻段，F(xiàn)R2頻段稱毫米波。國(guó)外運(yùn)營(yíng)商采用毫米波頻段，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商采用Sub-6GHz頻段，表1所示為國(guó)內(nèi)四大運(yùn)營(yíng)商5G頻段分布情況。Sub-6GHz頻段覆蓋范圍廣，信號(hào)穩(wěn)定，而毫米波傳輸速率更好，時(shí)延更低，且位于擁有大量未被充分利用頻譜資源的高頻段，是未來(lái)發(fā)展方向之一。天線長(zhǎng)度為波長(zhǎng)量級(jí)，采用毫米波通訊意味著在毫米級(jí)別上完成天線制備，驅(qū)動(dòng)天線設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的革新。

表1 四大運(yùn)營(yíng)商5G頻段分布

電磁波波長(zhǎng)越短，穿透能力越差，障礙物容易阻斷毫米波的傳輸，MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)多天線技術(shù)的發(fā)射端和接收端分別部署多個(gè)相互獨(dú)立的發(fā)射天線和接受天線，為解決毫米波傳輸過(guò)程中障礙物造成的數(shù)據(jù)傳輸易丟失問(wèn)題，可首先由位于基站的處理單元對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，并將復(fù)制后的信息分別發(fā)送給多個(gè)發(fā)射天線，多個(gè)發(fā)送天線再將復(fù)制后的信息發(fā)送給同一部移動(dòng)終端，移動(dòng)終端的多個(gè)接收天線接收到一組重復(fù)的信息，MIMO技術(shù)通過(guò)整合多個(gè)接收天線的破損信息，還原出完整信息，提高傳輸可靠度。采用MIMO技術(shù)的移動(dòng)終端，其天線需空間錯(cuò)位布置，且越遠(yuǎn)越好，避免相互間的干擾。

為避免金屬機(jī)身對(duì)天線信號(hào)的干擾，高端智能機(jī)重回玻璃后蓋，玻璃材質(zhì)在重量、厚度、易碎性等方面相對(duì)金屬有一定劣勢(shì)，但其美觀度佳，最重要的是可確保5G時(shí)代手機(jī)通信的高質(zhì)量。陶瓷后蓋強(qiáng)度和韌性較高，相對(duì)玻璃后蓋更耐摔，更抗磨，但陶瓷制作工藝比較復(fù)雜，成本也較高，不過(guò)憑借其優(yōu)異的性能和手感，也有望成為手機(jī)后蓋主流方案之一。

移動(dòng)通信技術(shù)和市場(chǎng)高速發(fā)展，移動(dòng)終端天線將進(jìn)一步小型化甚至微縮化，其搭載的抗干擾技術(shù)也將隨之升級(jí)，以滿足移動(dòng)終端便捷、高速、穩(wěn)定的通訊需求，帶給用戶更好的無(wú)線通訊體驗(yàn)。

創(chuàng)新性說(shuō)明：為了分析移動(dòng)終端天線技術(shù)特點(diǎn)和要求，文章從天線的基礎(chǔ)原理和結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹了適用于便攜式移動(dòng)終端的內(nèi)置小型化天線類型和制造工藝，小型化天線類型包括微帶天線、縫隙天線，以及平面單極子天線、倒L天線、倒F天線、平面倒F天線、Loop天線等，制造工藝包括PCB天線、陶瓷天線、鋼片天線、FPC天線、LDS天線、金屬中框天線等。結(jié)果得出了移動(dòng)終端根據(jù)不同機(jī)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，對(duì)不同天線類型、制作工藝，以及終端ID的不同選擇性。最后展望了5G高速移動(dòng)通訊時(shí)代挑戰(zhàn)下的終端天線技術(shù)發(fā)展。

文章重點(diǎn)關(guān)注的是移動(dòng)終端天線的技術(shù)特點(diǎn)以及其對(duì)終端設(shè)備的要求，系統(tǒng)的梳理了內(nèi)置小型化天線設(shè)計(jì)類型和制造工藝。文章作者從顯示從業(yè)者的角度，探討了移動(dòng)顯示終端和天線的相互匹配性選擇，思考了移動(dòng)終端天線技術(shù)的發(fā)展。