5G时代的天线设计 射频与天线才是设计核心

5G手机问世，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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”。

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。

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。

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。

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威廉希尔官方网站 ，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。

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工艺天线和其他威廉希尔官方网站 和材料的协同作战了。

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）威廉希尔官方网站 和4X4MIMO（多输入多输出天线阵列）威廉希尔官方网站 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。

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威廉希尔官方网站 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。

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。