5G手機靠基帶還不夠!天線設計也得做手術!

CFan 電腦愛好者 2019-06-12 13:43產品 標簽:手機 5G

5G手機即將問世,但細心的童鞋不難發現,5G手機整體的價格更貴,電池更大,而且也將全面告別全金屬一體化的設計風格。在這些變化的背后,則隱藏著和天線有關的小秘密。

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來自5G手機的變化

三星Galaxy S10和小米MIX3等手機都同時存在4G版和5G版,它們不僅售價大幅提升,Galaxy S10 5G版(4500mAh)的電池容量要比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。

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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。

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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,以今天的眼光來看非常影響觀瞻。

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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iPhone 1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。

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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,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。

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FPC即塑料膜中間夾著銅薄膜做成的導線

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,iPhone4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”。

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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iPhone 4S的金屬邊框增加了1道縫隙,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。

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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,用來減小手持對天線接收信號的影響。

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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LDS(Laser DirectStructuring,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。

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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,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,凈空區就只剩下了3mm到5mm。

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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LDS工藝天線和其他技術和材料的協同作戰了。

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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LDS將天線和其他元器件合為一體,如覆蓋PCB表面的塑料襯板、揚聲器單元表面都能用于鍍上天線圖案。

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4X4MIMO(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眼中的香餑餑。

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IC、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。

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高通表示,要想提高設備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4X4MIMO模式下的接收天線。

在5G時代,想實現更高的下行速率4X4MIMO只是最低門檻,8X8MIMO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。

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5G手機天線設計示意圖

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。

 

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