5G手机靠基带还不够!天线设计也得做手术!

来源:    更新时间:2019-06-13 10:49:18    编辑:CFan    浏览:272

5G手机即将问世,但细心的童鞋不难发现,5G手机整体的价格更贵,电池更大,而且也将全面告别全金属一体化的设计风格。在这些变化的背后,则隐藏着和天线有关的小秘密。

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来自5G手机的变化

三星Galaxy S10和小米MIX3等手机都同时存在4G版和5G版,它们不仅售价大幅提升,Galaxy S10 5G版(4500mAh)的电池容量要比Galaxy S10+ 4G版(4100mAh)多了400mAh,而小米MIX3 5G版(3800mAh)的电池也比4G版(3300mAh)增加了500mAh,加大的电池就是为了应付更大的5G功耗。

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此外,5G手机在机身材质的选择上还将彻底摒弃全金属一体化的设计,全面改用玻璃或塑料材质后盖,从而确保5G信号的接收强度,为超过2Gbps的下行速率奠定坚实的物理基础。那么,5G手机为何价格和功耗更高?对信号溢出的要求更加苛刻?

射频与天线成核心

在3G和4G时代,Modem(调制解调器,又称基带)是决定手机网络性能的核心元件。

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到了5G时代,射频(电路)与天线(设计)将进一步成为与Modem并列的核心,且更加考验手机厂商的研发实力。

所谓“射频电路”即手机内部接收通路、发射通路和本振电路组合的统称,再往下分还可扩展出射频收发信机芯片、射频收发信机电源管理芯片、天线、天线开关、滤波器、高放管、中频集成块、频率合成集成块、接收压控振荡器等诸多模块。

其中,天线设计又将成为重中之重,它将影响手机能支持多少频段以及可以实现的最高上/下行速率。

需要注意的是,天线的工作原理是通过电场和磁场的相互转换,完成电磁能量的辐射和接收。除了2G、3G、4G乃至5G移动通讯信号以外,Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC和无线充电(线圈)等功能同样需要天线来作为接收和发送信号的载体。

随着手机越来越薄、屏占比越来越高,想在有限的空间里让这些用途不同的天线和睦相处并非易事。因此,在了解5G对天线提出的新要求之前,咱们不妨先来回顾一下智能手机天线在这些年的变化。

5G之前的天线设计

还记得最早的手机天线是什么样子的吗?

没错,它就长在手机的“脑袋”上,就好像如今路由器的天线一般裸露在外,以今天的眼光来看非常影响观瞻。

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1999年,诺基亚3210终于“干掉了”这个突兀的存在,首次在手机领域引入了内置天线设计,并一直延续至今。

只是,从功能机再到如今的最新款智能手机,其内置天线的材料、位置和工艺都出现了质的变化。

FPC柔性天线参上

功能机时代的天线咱们就不说了,以iPhone 1为代表的早期智能手机大都采用了名为“FPC”(Flexible PrintedCircuits,柔性电路板)的内置天线工艺,它是一种可靠性很高、轻薄、弯折性好的印刷电路板。

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和传统的由金属弹片+塑料支架组成的天线相比,FPC具备易于修改、模具开发成本低的优势,装配时FPC只要贴在材料表面上即可,直到如今还有不少手机的NFC天线依旧采用FPC工艺。

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FPC即塑料膜中间夹着铜薄膜做成的导线

来自金属中框的尝试

早期智能手机为了提升档次,质感廉价的塑料肯定不符合要求。在iPhone 4时代,苹果开始引入不锈钢材质的金属边框,结合前后玻璃面板堪称同期手机中的“颜值担当”。iPhone 4的天线设计比较奇葩,它在金属边框内焊接了形状复杂的金属片,从而让边框充当了天线的作用。

问题来了,金属材质对信号有着极强的屏蔽作用,iPhone4为了让各种信号能透过金属边框,还特意在边框上开了2道缝隙(两段式方案)用于信号的溢出。

然而,这种设计依旧存在严重的Bug——当紧握手机下部时,可能引起两段式天线的连接处发生短路,从而导致信号质量严重缩水,这个问题在当年被称为“死亡之握”。

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为了解决这个Bug,苹果曾建议iPhone 4的用户使用保护套加以趋避,并给随后的iPhone 4S的金属边框增加了1道缝隙,还借助三段式方案和接收分集功能不再受死亡之握的困扰。

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至此,手机厂商们都认识到了金属材质和信号之间的矛盾关系,凡是采用金属边框的手机都会在边框上预留几道缝隙;采用金属后盖时也会选择三段式机身设计,即中间为金属,上下两端为塑料;采用全金属一体化的机身时,也都会留有纳米注塑工艺的信号条设计,用来减小手持对天线接收信号的影响。

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LDS天线渐成趋势

在智能手机热衷引入金属材质,以及手机机身越加轻薄之际,FPC工艺天线在性能和可靠性上都很难符合要求,此时另一种LDS(Laser DirectStructuring,激光直接成型)的内置天线工艺就浮出了水面。

LDS可以利用计算机按照导电图形的轨迹控制激光的运动,将激光投照到注塑成型的三维塑料器件上,从而镀上厚度为5微米到10微米的金属层,最终实现材料的三维电路。

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简单来说,LDS就是一种可以在塑料材质上进行化镀并形成金属天线图案的技术,它比FPC的精度更高,稳定性更好,可以直接在金属(或玻璃)后盖内层的塑料支架上镀上各种天线图案,从而大大节约手机内部空间,并可防止内部器件相互干扰。

全面屏的净空困局

当智能手机步入全面屏时代后,众多新品开始追求“屏占比”这一参数,至此全面屏手机纷纷展开了“额头”和“下巴”边框的“歼灭战”。问题来了,智能手机的各种天线恰好就位于上下边框附近,为了避免天线与其他元器件之间相互干扰,需要留出足够的“天线净空区”。

在传统16:9屏幕时代,留给天线的净空区多在7mm到10mm之间,而到了全面屏时代,净空区就只剩下了3mm到5mm。

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按照传统思路,这点空间很难解决天线和其他元器件之间的干扰,以及发挥4G网络的性能潜力(需要500平方毫米的天线面积)。

此时,就需要LDS工艺天线和其他技术和材料的协同作战了。

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比如,引入LCP这种低耗损的柔性材料代替同轴电缆实现与线路板的转接、通过开源等方式提升射频单元的功率、使用更多更优的电调谐器件,而更有效的解决方案,就是利用LDS将天线和其他元器件合为一体,如覆盖PCB表面的塑料衬板、扬声器单元表面都能用于镀上天线图案。

5G时代的天线设计

早在骁龙835/845和麒麟970时代,不少高端手机就借助4CA(载波聚合)技术和4X4MIMO(多输入多输出天线阵列)技术获得了超过1Gbps的下行速率,从而迈入了4.5G网络的门槛。到了5G网络时代,其对下行速率的最低要求也是2Gbps起(理论最高可达20Gbps),同时还需要具备更低的延迟且支持万物互联。

问题来了,想实现上述5G网络的特有属性,需要无线电波的波长是毫米数量级的“毫米波”,而毫米波与4G网络使用的“厘米波”相比信号衰减得非常厉害,在不能随意增加发射功率(安全上不允许)的前提下,唯有尽可能减少手机机身材料对信号的屏蔽影响,并进一步增加发射天线和接收天线的数量。

在这个大环境下,传统的全金属一体化机身设计自然就得彻底退出历史舞台了,以玻璃和陶瓷为主的材料将成为新款手机眼中的香饽饽。

5G手机的售价为何更加昂贵?这背后所体现的,就是全新天线阵列的成本和设计难度了。比如,高通就为骁龙855移动平台和骁龙X55调制解调器准备了型号为QTM052的mmWave毫米波天线模块,它集5G无线电收发器、电源管理IC、RF前端和相控天线阵于一身,实现了一度难以想象的小型化设计。

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高通表示,要想提高设备对信号衰减和抗干扰的能力,一款5G手机上最多可以安装4个QTM052模块,其背后的成本最终都要转嫁到消费者头上。

此外,作为第一批迈入4.5G时代的三星Galaxy S8(2017年发布),其内部用于移动通信的天线就达到了5根,包括2根主天线,2根分集天线和1根载波聚合天线,其中主天线和分集天线恰好可以组成4X4MIMO模式下的接收天线。

在5G时代,想实现更高的下行速率4X4MIMO只是最低门槛,8X8MIMO才是主流,此时保守的天线数量也要在8根到10根,而第六代Wi-Fi技术也需要MIMO天线阵列的配合,这就对手机内部天线的走势布局提出了更高的要求。

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5G手机天线设计示意图

更多的天线和更复杂的天线阵列,自然也会带来功耗的提升,而这也就是为何5G手机普遍都会进一步增加电池容量的原因。

小结

在4G手机时代,相同规格的智能手机在网络性能(下行速率)上基本处于同一个档次。而5G手机之间可能就会因天线设计而出现较大的差异了,目前已知5G手机的下行速率就存在最低2Gbps和最高4.6Gbps,这些都是需要引起我们重视的指标。