在剛結(jié)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。

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。

手機天線發(fā)展時間線

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。

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(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。

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(shù)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(shù)據(jù)流的技術，能用于提高移動設備帶寬、增加數(shù)據(jù)吞吐。

5G手機中的多用戶MIMO技術

MIMO的階數(shù)代表可以發(fā)送或接收的獨立信息流數(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)量以及用戶設備接收天線數(shù)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。

單用戶和多用戶MIMO技術

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(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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間和頻率資源滿足空間上分離的多位用戶的需求。

手機天線發(fā)展史

?從大哥大到小觸屏

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(jīng)歷了從大到小，從外置到內(nèi)置的變化。

手機中的不同應用所使用的天線

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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部有傳統(tǒng)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(tǒng)的磁條卡。

?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8×8MIMO就是有8個發(fā)射端天線，8根手機端天線。

而天線數(shù)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軟板廠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(chǎn)品中都有應用，例如硬盤的帶狀引線、數(shù)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(shù)量的大幅度增加也會拉動軟板的大幅需求。

毫米波

?高頻衰減明顯，天線設計新挑戰(zhàn)

和Sub-6GHz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(jīng)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(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。