從大哥大到iPhoneXS，天線技術已改頭換面

　　在剛剛結束的MWC 2019上，5G手機已然紅遍巴塞羅那，成了當下最熱門的話題。而對于每一臺5G手機來說，其天線設計都至關重要。

　　MIMO、載波聚合、波束賦形等5G新技術的應用，將會為手機天線的設計與制造帶來一系列新挑戰(zhàn)，而手機天線的變化又將反過來影響5G手機的整體設計。

　　一、新頻段、新技術，推動5G天線升級

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

　　一般情況下手機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;且對應于不同應用將會使用不同的天線。

　　1、新頻段

　　目前，3GPP已經指定了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，在手機天線設計上會產生不同的影響。

　　現在美國、韓國已經為5G劃分毫米波(mmWave)的高頻頻譜，中國三大運營商的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

　　5G的主要通信技術有Massive MIMO、載波聚合、波束賦形等，配合這些技術，終端天線也將發(fā)生一系列的變化。例如，MIMO技術的應用將會明顯增加天線數量。

　　MIMO技術簡單解釋如下：它是通過使用多個發(fā)射、多個接收天線，在單個無線信道上同時發(fā)送和接收多個數據流的技術，能用于提高移動設備帶寬、增加數據吞吐。

　　MIMO的階數代表可以發(fā)送或接收的獨立信息流數量，它直接等同于所涉及天線的數量;階數越高，鏈路支持的數據速率也越高。

　　MIMO系統通常涉及基站發(fā)射天線數量以及用戶設備接收天線數量。例如，2×2 MIMO意味著同一時刻在基站有兩個發(fā)射天線，在手機上有兩個接收天線。

　　其實，歷代的無線通信技術都會使用先進的天線技術來提高網絡速度：

　　1)3G時代使用了單用戶MIMO技術，它從基站端同時發(fā)送多個數據流給用戶。

　　2)4G時代使用的是多用戶MIMO技術，它為多個不同用戶分配不同數據流，相比于3G大大提高了容量和性能。

　　3)而5G時代將會使用的是大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)技術，進一步將容量和數據速率提高到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——手機天線發(fā)展史

　　從手機誕生以來，通信頻率在逐漸從最初的kHz發(fā)展到了GHz頻段，而天線的尺寸也經歷了從大到小，從外置到內置的變化。

　　除了通訊功能之外，手機的Wi-Fi、藍牙、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。最早的手機天線是四分之一波長天線，它是一根單獨的天線，也叫做套筒式偶極天線。

　　由于最早的1G手機頻段為800MHz，所以天線的長度有9.4cm。這種天線已經在目前使用的手機上很難見到，而是被大量的用在無線LAN接入點上。

　　20世紀90年代的2G手機天線則有兩個天線單極和螺旋，只能支持單個頻段。諾基亞1011和摩托羅拉M300只能支持單個頻段的通信。

　　1997年，摩托羅拉發(fā)布了首個雙頻GSM手機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，是一個完全內置的天線，可以支持GSM900和GSM1800雙頻。

　　2004年推出的3G Nokia 6630手機，可以真正意義上支持全球漫游，是第一個雙模三頻段手機，所使用的天線也是多天線內置。

　　此后，手機逐漸往小型化和個人化發(fā)展，為了配合整體設計，天線的設計也更加緊湊化。

　　對于目前的手機及來說，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，印制天線內部有介電材料和接地平面，設計時需要考慮高效率、高增益和輻射模式。

　　出于對射頻前端及基帶處理的設計考慮，目前天線的設計方式是針對不同的應用，設計成不同的窄帶天線。

　　而且上文提到，除了通訊功能之外，手機的Wi-Fi、藍牙、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S9為例，其內部有傳統的移動通信主天線(配合高通驍龍845基帶，支持4X4 MIMO、5個分量載波聚合)，位于手機的下部和左下部。

　　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中部。

　　此外，手機中還集成了先進的磁性安全傳輸線圈(MST，Magnetic Secure Transmission)位于攝像頭附近。MST是一種移動支付技術，是利用手機發(fā)射信號來模擬傳統的磁條卡。

　　三、Sub-6天線：尺寸不變，數量增加

　　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頻段的手機天線尺寸上不會有大變化，仍然會是厘米級。

　　不過，為了達到更高的速度要求，5G會使用更多根天線，即MIMO技術，例如8×8 MIMO就是有8個發(fā)射端天線，8根手機端天線。

　　而天線數量的增加，則將會要求多個天線之間的形狀重新排布，對手機后蓋和走線提出新的要求，以達到更好的效率。

　　天線是一根具有指定長度的導線，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，以適應設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線，在幾乎所有電子產品中都有應用，例如硬盤的帶狀引線、數碼相機、儀器儀表、醫(yī)療設備和汽車電子中。

　　在便攜設備中，如手機、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時代，手機天線數量的大幅度增加也會拉動軟板的大幅需求。

　　四、毫米波：高頻衰減明顯，天線設計新挑戰(zhàn)

　　和Sub-6相比，毫米波則要更復雜一些。

　　毫米波之所以稱為毫米波，是因為當頻率高達幾十GHz時，電磁波的波長已經縮減到了毫米級，因此毫米波通信會大大減小天線的尺寸。

　　但是，電磁波波長縮小會導致其繞射能力變差，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，但是在手機內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和其他移動終端的全集成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模組尺寸進一步減小25%，并且滿足5G NR智能手機的使用，為手機UE設計提供了更多可能。

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

　　下圖給出了針對5G手機提出的一種分布式相位陣列MIMO結構的手機設計方案，其中有8個相控陣列單元形成波束賦形模組，內嵌在手機殼背面下方。

　　8個天線將會配合不同的用戶使用場景進行工作。針對不同的應用場景，會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重，但是在高頻毫米波工作方式下，信號的衰減尤其嚴重。

　　因此針對不同的場景，手機中的天線將會配合工作，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對天線的方向性進行調整，因此需要對每個天線進行單獨的實時控制，這在技術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。從系統上講，與天線配合工作的射頻前端芯片需要針對每個天線單獨控制，因此不僅是MIMO天線數量的會直接增長，射頻前端電路的需求量和天線是同步的。

　　不過，IEEE Access論文中同時提到，多天線對信號波束的實時監(jiān)測和調整可能會使得手機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設計的限制因素。

　　五、毫米波天線的封裝新機遇

　　當頻率高至毫米波時，信號在空氣中的衰減會變得非常嚴重，而在半導體材料中也是遵循這個定律。

　　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現實時的波束跟蹤和控制。

　　所以，小型化的毫米波天線將會很可能采用AiP(Antenna in Package)封裝天線技術跟其他零件共同整合在同一個封裝中。

　　AiP的制造是在SiP(system in package)的基礎上，用IC載板來進行多芯片SiP系統級封裝，同時還需要用到Fan-Out扇出型封裝技術來整合多芯片，使封裝結構更緊湊。需要將天線、射頻前端和收發(fā)器整合成單一系統級封裝。

　　AiP將天線集成到芯片中，其優(yōu)點在于可以簡化系統設計，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)，因此芯片封裝不但可以放得下一個單元，而是可以放得下小型的收發(fā)陣列。

　　封裝天線的結構自上而下依次為：天線、中間介質層(內部有空腔)、系統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內部空腔，用來放置其他RF模塊。

　　為了減少天線與腔體內RF模塊的耦合，在兩層之間加入了一個額外的金屬層，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RF系統地平面連接。

　　六、5G手機的其他挑戰(zhàn)

　　5G手機里的無線天線設計相比于以往難度更大，原因是天線設計不僅需要滿足無線技術本身的要求，還要與攝像頭、聲音喇叭、電池、顯示屏、指紋識別芯片、振子、陀螺儀以及無線充電系統兼容。

　　1、電池

　　電池性能一直是手機設計的一個重大瓶頸。從1995年到2014年，無線容量增長了大約10萬倍，但是電池電量的進步速度只有四到五倍。

　　而在5G中設備中，由于MIMO技術和波束賦形都會帶來能量消耗的進一步提高，電池性能問題會在后4G和5G時代變得更加突出。

　　2、SoC

　　5G時代的SoC設計也受到限制，主要原因是進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繼續(xù)為制約5G手機的設計。

　　目前看來，新材料制程，如基于傳統硅的三五族化合物，基于SOI的CMOS工藝，FinFET、SiGe以及InP可能會在5G SoC設計中貢獻力量。

　　3、PCB板

　　5G手機的多層板設計也需要更加緊湊，并且需要集成進入更多的SoC芯片組來增加各種應用、配合新標準和技術。

　　4、手機后蓋

　　手機外殼會對天線性能產生重大影響。

　　天線在裝配在手機殼當中后，還要求天線具有高效率和低SAR比吸收率。因此，手機中的天線設計是應該考慮到金屬外殼、手機殼等的復合設計。

　　窄邊框和金屬殼是目前手機的主流趨勢，因為具有保護性能好、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，但是手機金屬殼會嚴重影響天線性能。

　　5、金屬微波屏蔽罩

　　在整個5G手機系統設計的方面一個更嚴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。

　　手機內部的顯示器、高壓包和電路板等元器件在工作時發(fā)出高強度的電磁輻射，屏蔽罩可以起到屏蔽的作用，將部分的電磁波攔在罩內，從而保護使用者受電磁輻射的危害，同時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、新技術都將為手機天線的設計與制造帶來一系列新挑戰(zhàn)，而手機天線的變化又將反過來影響5G手機的整體設計。與此同時，手機終端的小型化、智能化，以及窄邊框、金屬邊框的流行，都將成為5G天線設計的難點。