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从大哥大到5G手机,手机天线技术的发展与挑战

时间:2019-03-04 阅读:
MIMO、载波聚合、波束赋形等5G新技术的应用,将会为手机天线的设计与制造带来一系列新挑战,而手机天线的变化又将反过来影响5G手机的整体设计。本文推荐的是来自中银国际的5G天线报告,详细解读5G时代手机天线的尺寸、数量、以及材料、封装技术的变化与行业机遇。

在刚刚结束的MWC 2019上,5G手机已然红遍巴塞罗那,成了当下最热门的话题。而对于每一台5G手机来说,其天线设计都至关重要。

MIMO、载波聚合、波束赋形等5G新技术的应用,将会为手机天线的设计与制造带来一系列新挑战,而手机天线的变化又将反过来影响5G手机的整体设计。

本文推荐的是来自中银国际的5G天线报告,详细解读5G时代手机天线的尺寸、数量、以及材料、封装技术的变化与行业机遇。

以下为智能内参整理呈现的干货:

一、新频段、新技术,推动5G天线升级

天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。

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一般情况下手机天线长度一般为波长的1/4~1/2,因此传播频率越高,天线的长度越短;且对应于不同应用将会使用不同的天线。

1、新频段

目前,3GPP已经指定了5G NR支持的频段列表,主要分为Sub-6(低于6GHz频段)和毫米波(mmWave,30GHz-100GHz)这两大频率范围。

由于Sub-6与毫米波这些新频段的加入,5G手机也势必将引入新的天线。

不过Sub-6和毫米波通信由于本身的频率差别很大,在手机天线设计上会产生不同的影响。

现在美国、韩国已经为5G划分毫米波(mmWave)的高频频谱,中国三大运营商的5G低频(Sub-6)频段也已划分完成,但是中国对于毫米波频段划分还在征求意见阶段。

2、新技术

5G的主要通信技术有Massive MIMO、载波聚合、波束赋形等,配合这些技术,终端天线也将发生一系列的变化。例如,MIMO技术的应用将会明显增加天线数量。

MIMO技术简单解释如下:它是通过使用多个发射、多个接收天线,在单个无线信道上同时发送和接收多个数据流的技术,能用于提高移动设备带宽、增加数据吞吐。

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MIMO的阶数代表可以发送或接收的独立信息流数量,它直接等同于所涉及天线的数量;阶数越高,链路支持的数据速率也越高。

MIMO系统通常涉及基站发射天线数量以及用户设备接收天线数量。例如,2×2 MIMO意味着同一时刻在基站有两个发射天线,在手机上有两个接收天线。

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其实,历代的无线通信技术都会使用先进的天线技术来提高网络速度:

1)3G时代使用了单用户MIMO技术,它从基站端同时发送多个数据流给用户。

2)4G时代使用的是多用户MIMO技术,它为多个不同用户分配不同数据流,相比于3G大大提高了容量和性能。

3)而5G时代将会使用的是大规模MIMO(Massive MIMO)技术,进一步将容量和数据速率提高到20Gbps。

Massive意指基站天线阵列中的大量天线;MIMO意指天线阵列使用同一时间和频率资源满足空间上分离的多位用户的需求。

二、从大哥大到小触屏——手机天线发展史

从手机诞生以来,通信频率在逐渐从最初的kHz发展到了GHz频段,而天线的尺寸也经历了从大到小,从外置到内置的变化。

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除了通讯功能之外,手机的Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC等功能,都需要用到不同的天线,甚至于最近逐渐火起来的无线充电,用的充电线圈也是一种天线。

我们先从通讯功能说起。最早的手机天线是四分之一波长天线,它是一根单独的天线,也叫做套筒式偶极天线。

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由于最早的1G手机频段为800MHz,所以天线的长度有9.4cm。这种天线已经在目前使用的手机上很难见到,而是被大量的用在无线LAN接入点上。

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20世纪90年代的2G手机天线则有两个天线单极和螺旋,只能支持单个频段。诺基亚1011和摩托罗拉M300只能支持单个频段的通信。

1997年,摩托罗拉发布了首个双频GSM手机mr601,可以支持GSM900和GSM1800双频,因此有螺旋和鞭状两根天线。

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1999年诺基亚推出了Nokia 3210,是一个完全内置的天线,可以支持GSM900和GSM1800双频。

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2004年推出的3G Nokia 6630手机,可以真正意义上支持全球漫游,是第一个双模三频段手机,所使用的天线也是多天线内置。

此后,手机逐渐往小型化和个人化发展,为了配合整体设计,天线的设计也更加紧凑化。

对于目前的手机及来说,印制天线被广泛用在终端中,相比于其他安装式天线更加小巧轻薄。从组成上看,印制天线内部有介电材料和接地平面,设计时需要考虑高效率、高增益和辐射模式。

出于对射频前端及基带处理的设计考虑,目前天线的设计方式是针对不同的应用,设计成不同的窄带天线。

而且上文提到,除了通讯功能之外,手机的Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC、无线充电等功能都需要用到不同的天线。

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以三星旗舰智能机S9为例,其内部有传统的移动通信主天线(配合高通骁龙845基带,支持4X4 MIMO、5个分量载波聚合),位于手机的下部和左下部。

GPS天线位于左上部,近场通信天线(NFC,Near Field Communication)和无线充电线圈在手机中部。

此外,手机中还集成了先进的磁性安全传输线圈(MST,Magnetic Secure Transmission)位于摄像头附近。MST是一种移动支付技术,是利用手机发射信号来模拟传统的磁条卡。

三、Sub-6天线:尺寸不变,数量增加

目前4G通信的波段是1-2.6GHz,而5G使用的通信频段也在6GHz以下。因此,使用5G低频Sub-6频段的手机天线尺寸上不会有大变化,仍然会是厘米级。

不过,为了达到更高的速度要求,5G会使用更多根天线,即MIMO技术,例如8×8 MIMO就是有8个发射端天线,8根手机端天线。

而天线数量的增加,则将会要求多个天线之间的形状重新排布,对手机后盖和走线提出新的要求,以达到更好的效率。

天线是一根具有指定长度的导线,可以制造在pcb(印制电路板)和FPC(柔性电路板)上。

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目前主流的方案是使用FPC制造可折叠式天线,它可以弯曲成任意的形状,以适应设备的小型化和便携化。

FPC是Flexible Printed Circuit Board的简称,中文名叫软板,又叫做柔性电路板。它是以柔性覆铜板(FCCL)制成,配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好。

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软板使用塑料膜中间夹着铜薄膜做成的导线,在几乎所有电子产品中都有应用,例如硬盘的带状引线、数码相机、仪器仪表、医疗设备和汽车电子中。

在便携设备中,如手机、平板电脑和笔记本电脑中,软板被用来制造射频天线和高频传输线。5G时代,手机天线数量的大幅度增加也会拉动软板的大幅需求。

四、毫米波:高频衰减明显,天线设计新挑战

和Sub-6相比,毫米波则要更复杂一些。

毫米波之所以称为毫米波,是因为当频率高达几十GHz时,电磁波的波长已经缩减到了毫米级,因此毫米波通信会大大减小天线的尺寸。

但是,电磁波波长缩小会导致其绕射能力变差,衰减变得异常明显。

高频带来的衰减问题,从空间传播上可以用MIMO多天线和波束赋形来解决,但是在手机内部为了保证信号的完整性,也需要射频前端RFFE尽可能靠近毫米波天线。

2018年7月23日,高通宣布推出全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G新空口毫米波及sub-6GH下射频模组:Qualcomm QTM052毫米波天线模组系列、Qualcomm QPM56xx sub-6GHz射频模组系列。Qualcomm QTM052将无线电收发器,电源管理IC,RF前端组件和相控天线阵列集成在一起。

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而高通在2018年10月最新发布的QTM052模组尺寸进一步减小25%,并且满足5G NR智能手机的使用,为手机UE设计提供了更多可能。

与此同时,多天线之间也存在隔离度问题。MIMO天线不再是传统的一根导线分频段取信号模式,在手机狭小的空间中,连续成片设计天线区域有限,后盖应该是最佳的布设天线的区域。

下图给出了针对5G手机提出的一种分布式相位阵列MIMO结构的手机设计方案,其中有8个相控阵列单元形成波束赋形模组,内嵌在手机壳背面下方。

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8个天线将会配合不同的用户使用场景进行工作。针对不同的应用场景,会有不同的来自人体对电磁波的阻挡方式。这种电磁波阻碍在低频下可能显得并不严重,但是在高频毫米波工作方式下,信号的衰减尤其严重。

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因此针对不同的场景,手机中的天线将会配合工作,有针对性的发射和接受信号,这一方面可以降低手机功耗,还可以更大程度上保证信号的稳定性。

波束赋形则是针对信号来源方向对天线的方向性进行调整,因此需要对每个天线进行单独的实时控制,这在技术上需要射频前端电路配合。

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上图给出的是一种针对毫米波的射频前段解决方案。从系统上讲,与天线配合工作的射频前端芯片需要针对每个天线单独控制,因此不仅是MIMO天线数量的会直接增长,射频前端电路的需求量和天线是同步的。

不过,IEEE Access论文中同时提到,多天线对信号波束的实时监测和调整可能会使得手机一直处于高能耗状态,因此高能量效率和电池寿命都手机设计的限制因素。

五、毫米波天线的封装新机遇

当频率高至毫米波时,信号在空气中的衰减会变得非常严重,而在半导体材料中也是遵循这个定律。

因此对于毫米波天线来说,需要到射频前端电路尽可能近距离以减小衰减和实现实时的波束跟踪和控制。

所以,小型化的毫米波天线将会很可能采用AiP(Antenna in Package)封装天线技术跟其他零件共同整合在同一个封装中。

AiP的制造是在SiP(system in package)的基础上,用IC载板来进行多芯片SiP系统级封装,同时还需要用到Fan-Out扇出型封装技术来整合多芯片,使封装结构更紧凑。需要将天线、射频前端和收发器整合成单一系统级封装。

AiP将天线集成到芯片中,其优点在于可以简化系统设计,有利于小型化、低成本。以60GHz为例,片上天线单元仅为1-2mm(考虑到封装具有一定的介电常数),因此芯片封装不但可以放得下一个单元,而是可以放得下小型的收发阵列。

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封装天线的结构自上而下依次为:天线、中间介质层(内部有空腔)、系统PCB。

一般IC芯片封装天线将天线集成在芯片上表面,中间层即天线的下方有一个内部空腔,用来放置其他RF模块。

为了减少天线与腔体内RF模块的耦合,在两层之间加入了一个额外的金属层,可以把它看作天线的地平面,它通过四周均匀分布的金属过孔与整个RF系统地平面连接。

六、5G手机的其他挑战

5G手机里的无线天线设计相比于以往难度更大,原因是天线设计不仅需要满足无线技术本身的要求,还要与摄像头、声音喇叭、电池、显示屏、指纹识别芯片、振子、陀螺仪以及无线充电系统兼容。

1、电池

电池性能一直是手机设计的一个重大瓶颈。从1995年到2014年,无线容量增长了大约10万倍,但是电池电量的进步速度只有四到五倍。

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而在5G中设备中,由于MIMO技术和波束赋形都会带来能量消耗的进一步提高,电池性能问题会在后4G和5G时代变得更加突出。

2、SoC

5G时代的SoC设计也受到限制,主要原因是进入纳米级制程后摩尔定律速度放缓。因此,能量效率的提高变得并不显著会继续为制约5G手机的设计。

目前看来,新材料制程,如基于传统硅的三五族化合物,基于SOI的CMOS工艺,FinFET、SiGe以及InP可能会在5G SoC设计中贡献力量。

3、PCB板

5G手机的多层板设计也需要更加紧凑,并且需要集成进入更多的SoC芯片组来增加各种应用、配合新标准和技术。

4、手机后盖

手机外壳会对天线性能产生重大影响。

天线在装配在手机壳当中后,还要求天线具有高效率和低SAR比吸收率。因此,手机中的天线设计是应该考虑到金属外壳、手机壳等的复合设计。

窄边框和金属壳是目前手机的主流趋势,因为具有保护性能好、美观、可携带以及散热方面的优势。毫米波天线由于本身尺寸很小在空间排不上难度不大,但是手机金属壳会严重影响天线性能。

5、金属微波屏蔽罩

在整个5G手机系统设计的方面一个更严峻的问题是部件之间的连接和隔离。例如显示屏面板可以导致RF敏感度下降,因此金属微波屏蔽罩需要放在显示单元和硬件之间,可以减少显示器辐射。

手机内部的显示器、高压包和电路板等元器件在工作时发出高强度的电磁辐射,屏蔽罩可以起到屏蔽的作用,将部分的电磁波拦在罩内,从而保护使用者受电磁辐射的危害,同时避免对周围其它电器的干扰、在一定程度上还确保了元器件免受灰尘,延长显示器使用寿命。

小结:

无天线不5G。5G所使用的新频段、新技术都将为手机天线的设计与制造带来一系列新挑战,而手机天线的变化又将反过来影响5G手机的整体设计。与此同时,手机终端的小型化、智能化,以及窄边框、金属边框的流行,都将成为5G天线设计的难点。

(来源:智东西)

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