2020年下半年 iPhone（暫命名為iPhone 12）的天線設(shè)計(jì)將由蘋果自主設(shè)計(jì)，究其原因在于蘋果對(duì)高通提供的5G天線模塊不滿，使得iPhone的機(jī)身尺寸不能被蘋果所接受。

此消息一爆出，果粉開始“沸騰”，紛紛表示蘋果這次終于“硬氣”了一次。但是自己設(shè)計(jì)天線并不是一件容易的事情，可以說這是蘋果的軟肋，早在iPhone4的時(shí)代，就曾因?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)導(dǎo)致用戶如果握持角度不準(zhǔn)確的話，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)衰減的情況，而這次蘋果自己設(shè)計(jì)天線，不免讓很多人為之擔(dān)心。想要設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)又好長得又好看的5G手機(jī)天線到底有多難？？？

從大哥大到全面屏

在3G和4G時(shí)代，Modem（調(diào)制解調(diào)器，又稱基帶）是決定手機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能的核心元件。到了5G時(shí)代，射頻（電路）與天線（設(shè)計(jì)）將進(jìn)一步成為與Modem并列的核心，且更加考驗(yàn)手機(jī)廠商的研發(fā)實(shí)力。

所謂“射頻電路”即手機(jī)內(nèi)部接收通路、發(fā)射通路和本振電路組合的統(tǒng)稱。

而天線設(shè)計(jì)是手機(jī)的重中之重，它將影響手機(jī)能支持多少頻段以及可以實(shí)現(xiàn)的最高上/下行速率。天線的工作原理是通過電場和磁場的相互轉(zhuǎn)換，完成電磁能量的輻射和接收。除了2G、3G、4G乃至5G移動(dòng)通訊信號(hào)以外，Wi-Fi、藍(lán)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(fā)送信號(hào)的載體。

隨著手機(jī)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(duì)天線提出的新要求之前，咱們不妨先來回顧一下智能手機(jī)天線在這些年的變化。

功能機(jī)時(shí)代

從手機(jī)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。

最早的手機(jī)天線是四分之一波長天線，它是一根單獨(dú)的天線，也叫做套筒式偶極天線。

由于最早的1G手機(jī)頻段為800MHz，所以天線的長度有9.4cm。這種天線在目前使用的手機(jī)上很難見到，而是被大量的用在無線LAN接入點(diǎn)上。

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

1997年，摩托羅拉發(fā)布了首個(gè)雙頻GSM手機(jī)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(gè)完全內(nèi)置的天線，可以支持GSM900和GSM1800雙頻。它首次在手機(jī)領(lǐng)域引入了內(nèi)置天線設(shè)計(jì)，并一直延續(xù)至今。

此后從功能機(jī)再到如今的最新款智能手機(jī)，其內(nèi)置天線的材料、位置和工藝都出現(xiàn)了質(zhì)的變化。

智能機(jī)時(shí)代

以iPhone 1為代表的早期智能手機(jī)大都采用了名為“FPC”（Flexible PrintedCircuits，柔性電路板）的內(nèi)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。如今還有不少手機(jī)的NFC天線依舊采用FPC工藝。

早期智能手機(jī)為了提升檔次，都進(jìn)行了金屬中框的嘗試。在iPhone 4時(shí)代，蘋果開始引入不銹鋼材質(zhì)的金屬邊框，結(jié)合前后玻璃面板堪稱同期手機(jī)中的“顏值擔(dān)當(dāng)”。但iPhone 4的天線設(shè)計(jì)比較奇葩，它在金屬邊框內(nèi)焊接了形狀復(fù)雜的金屬片，從而讓邊框充當(dāng)了天線的作用。

但金屬材質(zhì)對(duì)信號(hào)有著極強(qiáng)的屏蔽作用，iPhone4為了讓各種信號(hào)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(hào)的溢出。

然而，這種設(shè)計(jì)依舊存在嚴(yán)重的Bug——當(dāng)緊握手機(jī)下部時(shí)，可能引起兩段式天線的連接處發(fā)生短路，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重縮水，這個(gè)問題在當(dāng)年被稱為“死亡之握”。

在智能手機(jī)熱衷引入金屬材質(zhì)，以及手機(jī)機(jī)身越加輕薄之際，F(xiàn)PC工藝天線在性能和可靠性上都很難符合要求，此時(shí)另一種LDS（Laser DirectStructuring，激光直接成型）的內(nèi)置天線工藝就浮出了水面。

LDS就是一種可以在塑料材質(zhì)上進(jìn)行化鍍并形成金屬天線圖案的技術(shù)，它比FPC的精度更高，穩(wěn)定性更好，可以直接在金屬（或玻璃）后蓋內(nèi)層的塑料支架上鍍上各種天線圖案，從而大大節(jié)約手機(jī)內(nèi)部空間，并可防止內(nèi)部器件相互干擾。

當(dāng)智能手機(jī)步入全面屏?xí)r代后，眾多新品開始追求“屏占比”這一參數(shù)，至此全面屏手機(jī)紛紛展開了“額頭”和“下巴”邊框的“殲滅戰(zhàn)”。

5G天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

1）全球5G頻譜分布不一

在談具體難點(diǎn)之前，先看一下5G時(shí)代的頻譜分布。在Sub-6Ghz頻譜下，全球主要城市和地區(qū)的頻譜分布。例如中國大部分聚焦在n78和n79，歐盟是n78，韓國也是n78。美國則一開始關(guān)注毫米波，到后面才有Sub-6G的布局。

日本的頻段比較麻煩，他們是3.6Ghz到4.1Ghz的n77頻段，這跟其他家不一樣，如果手機(jī)要覆蓋這個(gè)頻率，那么天線的設(shè)計(jì)也不會(huì)太容易。

進(jìn)一步分析，韓國的頻譜比較確定，在3.4Ghz到3.7Ghz之間，運(yùn)營商也基本落實(shí)在LG、KT和SKT。美國則聚焦在band 48的部分。中國電信和中國聯(lián)通則主要聚焦在3.4Ghz到3.6Ghz的頻段，而中國移動(dòng)則聚焦在4.8Ghz到4.9Ghz的頻段。

在日本這邊，他們的n77與其他國家的有點(diǎn)不一樣，包括NTT、KDDI、RAKU、SB和KDDI在內(nèi)的運(yùn)營商也都聚焦在3.6Ghz到4.1Ghz頻段。另外，NTT還有個(gè)n79頻段（4.5Ghz到4.6Ghz），因此如果你要在一個(gè)設(shè)備上同時(shí)支持中國和日本的頻段，同時(shí)加上日本的一些運(yùn)營商要求到年底前，所有設(shè)備都必須同時(shí)支持n77和n79頻段。那么這將就意味著給天線帶來非常大的挑戰(zhàn)。

在b41的頻段，根據(jù)規(guī)定本來b41談的是2496Mhz和2690Mhz的頻段，而中國本來的頻譜分布是中國移動(dòng)占據(jù)2575Mhz到2635Mhz，中國聯(lián)通則占有2555Mhz到2575Mhz頻段，中國電信則是2635Mhz到2655Mhz的頻段。但現(xiàn)在中國電信和中國聯(lián)通都把這兩個(gè)頻段給了中國移動(dòng)，在交換完成了之后，現(xiàn)在的中國移動(dòng)擁有了2515Mhz到2675Mhz共160Mhz帶寬的頻段，幾乎掌控了整個(gè)b 41的頻段。

作為交換，中國移動(dòng)則把n78頻段給了中國聯(lián)通和中國電信。

從上圖可以看到，如果想支持除了美國以外的國家的頻段，只需要選擇一個(gè)160Mhz、支持b41的濾波器就行了。但是如果還需要同時(shí)支持美國，尤其是Sprint（因?yàn)楹笳叩腷41的頻率范圍為2496Mhz到2690Mhz的194Mhz的帶寬），這就需要工程師在設(shè)計(jì)天線的時(shí)候多加考慮了。

2）頻段越高，傳輸衰減越大

如今智能機(jī)中的天線，是機(jī)身內(nèi)部的一根根小金屬片。移動(dòng)數(shù)據(jù)需要天線，藍(lán)牙功能需要天線、GPS也需要天線。

不同天線長度也不相同。這主要涉及到信號(hào)的頻段與波長。頻段越高，波長越短，天線也就越短（大概為波長的1/4）。

就國內(nèi)來說，5G一共分有低頻與高頻兩個(gè)頻段。低頻頻段為3~5Ghz，和現(xiàn)在4G頻段相差不多，天線可以沿用當(dāng)下的設(shè)計(jì)。但是，為了滿足5G的傳輸速率要求，必須提高天線的數(shù)量。

MIMO（多輸入多輸出）多天線技術(shù)就此登場。MIMO技術(shù)簡單來說，1x1 MIMO就是1根發(fā)射天線與1根接收天線， 4x4 MIMO就是4根發(fā)射天線與4根接收天線。相比較而言，4x4 MIMO在傳輸速率上遙遙領(lǐng)先于1x1 MIMO。

低頻頻段使用MIMO多天線技術(shù)就能夠解決問題，但在高頻頻段卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不行。如上文所說，頻率越高，波長越短，傳輸衰減就越大。在5G高頻頻段，通信波長只有10mm左右（毫米波）。5G創(chuàng)業(yè)公司Movindi的研發(fā)人員表示，手指、人臉在5G毫米波天線前會(huì)產(chǎn)生“臨近效應(yīng)”。不僅會(huì)導(dǎo)致信號(hào)下降，甚至可能會(huì)直接屏蔽信號(hào)，死亡之握的概率大大提升。

3）全面屏增加天線設(shè)計(jì)難度

如今流行的全面屏設(shè)計(jì)將會(huì)成為5G時(shí)代天線設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)。一般來說，手機(jī)中的天線是360°全方位輻射的，因此在其附近的一定范圍內(nèi)是要避免出現(xiàn)金屬的，這個(gè)范圍就是“凈空區(qū)”。

過往天線的凈空區(qū)往往放在“下巴”上。然而，全面屏設(shè)計(jì)大大壓縮了“下巴”的面積，一整塊具有金屬材質(zhì)的屏幕完全遮住了手機(jī)的正面，這就對(duì)天線的設(shè)計(jì)提出了非常非常高的要求。

具體來說，由于5G毫米波非常短，來自金屬的干擾會(huì)更加嚴(yán)重，至少需要1.5mm的凈空區(qū)。而5G手機(jī)被人手和人臉遮擋時(shí)，信號(hào)會(huì)開始尋找最低誤碼率頻段。所以在設(shè)計(jì)5G終端時(shí)候，天線安裝的位置一開始就要合適，使其易于尋找最合適的頻段。

除了接收性能外，還需考慮空間覆蓋度與散熱的問題。越廣的空間覆蓋度越有利于用戶的無線體驗(yàn)，但越廣的空間覆蓋度，往往要犧牲手機(jī)外觀設(shè)計(jì)。此外，為防止散熱不當(dāng)對(duì)天線系統(tǒng)造成損壞，在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)也要注重材質(zhì)的把控。

5G天線設(shè)計(jì)雖然困難重重，但不是沒有解決方案。業(yè)內(nèi)普遍看好天線陣列（多天線單元）設(shè)計(jì)，即將許多相同的單天線按照一定的規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)。

當(dāng)下5G毫米波天線陣列一般是基于相控陣的方式，具體實(shí)現(xiàn)方式又可以分為AoB （Antenna on Board，即天線陣列位于系統(tǒng)主板上)、AiP （Antenna in Package，即天線陣列位于芯片的封裝內(nèi))，與AiM （Antenna in Module，即天線陣列與RFIC形成一模組)三種。目前AiM方式為業(yè)界普遍接受。

5G所使用的新頻段、新技術(shù)都將為手機(jī)天線的設(shè)計(jì)與制造帶來一系列新挑戰(zhàn)，而手機(jī)天線的變化又將反過來影響5G手機(jī)的整體設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，手機(jī)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(shè)計(jì)的難點(diǎn)。