從5G手機(jī)看手機(jī)天線的前世今生

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作者：龍平  蘇州紫藤知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)有限公司項(xiàng)目經(jīng)理 專利代理師

馬麗  蘇州敏芯微電子技術(shù)股份有限公司 資深I(lǐng)PR 律師 專利代理師

原標(biāo)題：從5G手機(jī)看手機(jī)天線的前世今生

IPRdaily消息：5G的到來(lái)也給手機(jī)天線帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，天線對(duì)手機(jī)起的作用，類似于人的眼、耳、喉。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，手機(jī)的“眼、耳、喉”也在不斷變化，本文主要通過(guò)三部分來(lái)講述手機(jī)天線的演變。

隨著華為、中興、小米等公司5G手機(jī)的發(fā)布，三大運(yùn)營(yíng)商5G商用套餐正式上線，5G時(shí)代已經(jīng)轟轟烈烈地走來(lái)了，5G的超快速度、超高帶寬、超低時(shí)延，將對(duì)原來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全面的改造，對(duì)整個(gè)世界帶來(lái)全新的改變。

5G的到來(lái)也給手機(jī)天線帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，天線對(duì)手機(jī)起的作用，類似于人的眼、耳、喉。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，手機(jī)的“眼、耳、喉”也在不斷變化，發(fā)展歷程可大致分為外置天線、內(nèi)置天線、金屬邊框、MIMO天線、毫米波天線。以下主要通過(guò)三部分來(lái)講述手機(jī)天線的演變。

 
1、外置天線去哪了

文獻(xiàn)US2439411A公開(kāi)了最早的手機(jī)天線結(jié)構(gòu)，該專利由摩托羅拉于1944年申請(qǐng)，如下圖所示，最初用于戰(zhàn)地通信中。

 
在80年代，移動(dòng)電話通常指的是這種設(shè)備：

 
這種手機(jī)誕生之前的設(shè)備有著行李箱式的外形，依靠?jī)?nèi)置電池或者汽車的電力系統(tǒng)供電，重達(dá)8斤，售價(jià)與承載它的汽車價(jià)格相當(dāng)。從圖中明顯可以看出鞭狀的外置天線豎立在移動(dòng)電話上。

此時(shí)天線并不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)，大部分為全向的單極天線。畢竟以當(dāng)下的觀點(diǎn)來(lái)看，在那個(gè)年代整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都是比較簡(jiǎn)單的，天線的收發(fā)電路通常是模擬信號(hào)電路，只要保證能在任意方向收到信號(hào)即可。

小百科之單極天線：

單極天線是豎直的具有約四分之一波長(zhǎng)電長(zhǎng)度的天線，將上圖左側(cè)的偶極的下臂等效成接地面發(fā)展而來(lái)。在自由空間中，四分之一波長(zhǎng)單極天線在垂直平面上的輻射方向圖與半波偶極天線在垂直平面中的方向圖形狀相似，但沒(méi)有地下輻射。在水平面上，垂直單極天線是全向性的。將線狀輻射振子彎折即可得到倒L天線，將線狀輻射振子擴(kuò)展為平面狀即可得到平面單極天線。

1983 年出現(xiàn)了第一部手持式的無(wú)線電話：摩托羅拉 Dyna TAC。其采用的天線結(jié)構(gòu)就是外置天線的典型代表。典型的外置天線采用單極子天線設(shè)計(jì)，在與工作頻率波長(zhǎng)有關(guān)的特定電長(zhǎng)度下諧振。外置天線由于設(shè)置在手機(jī)殼體之外，受殼體的體積限制較小，受手機(jī)內(nèi)部電子器件的影響也較小，因此可以獲得優(yōu)異的無(wú)線通信性能，從而廣泛應(yīng)用于2G時(shí)代的手機(jī)。此時(shí)的外置天線不僅能實(shí)現(xiàn)與數(shù)公里外的基站通信，甚至還能實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的通信。如Ericsson R190雙模手機(jī)，其設(shè)計(jì)了可以拆裝的超大外接天線，在手機(jī)上就能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星電話。如下圖所示，這種外置天線即使已經(jīng)采用了超小型的螺旋天線仍非常巨大。

外置天線的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，尺寸大、易損壞、不美觀等。為了更好地收納外置天線，業(yè)界將天線設(shè)計(jì)為能夠通過(guò)特定機(jī)械結(jié)構(gòu)伸縮、旋轉(zhuǎn)使其更好地收納在手機(jī)中，并通過(guò)匹配電路的設(shè)計(jì)縮短天線的長(zhǎng)度。例如拉桿伸縮天線、金屬螺旋天線、旋轉(zhuǎn)天線等形式。專利文獻(xiàn)US006054959A、JPH08213817A公開(kāi)了常見(jiàn)的外置天線結(jié)構(gòu)。

US006054959A

JPH08213817A

為了克服外置天線物理上的上述缺點(diǎn)，隨后出現(xiàn)的手機(jī)天線逐漸發(fā)展為內(nèi)置天線。

Hagenuk公司于1996年推出的Hagenuk Globalhandy被認(rèn)為是業(yè)界首款內(nèi)置天線[1]。其采用縫隙作為輻射單元，僅支持GSM900頻段。

諾基亞設(shè)計(jì)的直板手機(jī) Nokia 3210 中采用的內(nèi)置天線為更典型的內(nèi)置天線，即平面倒F天線（PIFA，Planar Inverted-F Antenna）。長(zhǎng)久以來(lái)諾基亞手機(jī)能砸核桃的質(zhì)量被人津津樂(lè)道，而諾基亞手機(jī)的天線設(shè)計(jì)也是業(yè)界標(biāo)桿。諾基亞曾在一份官方聲明中表示“在諾基亞手機(jī)正式投放市場(chǎng)之前，我們會(huì)進(jìn)行人工測(cè)試，其中包括用戶通話過(guò)程中握機(jī)方式、音樂(lè)播放、網(wǎng)絡(luò)瀏覽及其他活動(dòng)。如果我們計(jì)劃推出的某款手機(jī)天線性能與外觀設(shè)計(jì)相沖突，我們將把天線性能放在首位”。

諾基亞先設(shè)計(jì)天線再設(shè)計(jì)手機(jī)的理念影響了很多廠商。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)諾基亞擅長(zhǎng)的PIFA天線都是手機(jī)內(nèi)置天線的第一選項(xiàng)。例如專利文獻(xiàn)EP1615293A1、US2002135521A1中示出了手機(jī)中典型的PIFA天線。PIFA天線的優(yōu)點(diǎn)有很多：體積小，頻帶寬，增益高，SAR值很低。但其輻射平面到地面的剖面高度一般不能低于 6 mm。隨著超薄手機(jī)的流行，PIFA天線不再適用于手機(jī)內(nèi)置天線的設(shè)計(jì)。

EP1615293 A1

US2002135521 A1

小百科之PIFA天線：

PIFA（Planar Inverted-F Antenna）天線是倒F天線IFA（Inverted-F Antenna）的平面形式。倒F天線（IFA）是由倒L形單極子天線增加一個(gè)接地路徑得到。IFA天線具有一個(gè)饋電點(diǎn)和一個(gè)接地點(diǎn)，由于其側(cè)視圖為倒F形，所以被稱為倒F天線，倒F天線最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以改變饋電、接地位置，將輸入阻抗調(diào)整至50歐姆。

2、尺寸與性能的博弈

從IFA/PIFA天線出現(xiàn)到現(xiàn)今的4G手機(jī)，對(duì)天線設(shè)計(jì)而言主要是天線數(shù)的增加和頻段數(shù)的增加。如下圖所示，通常為GSM、WIFI、GPS應(yīng)用分別單獨(dú)配置一個(gè)天線和相關(guān)的處理電路，分別布置在手機(jī)PCB板的不同位置。為了在單個(gè)天線模塊上產(chǎn)生多種頻段，采用多條蜿蜒的走線，通過(guò)寬度、長(zhǎng)度變化實(shí)現(xiàn)多種不同的諧振路徑從而產(chǎn)生多個(gè)工作頻段。又例如通過(guò)無(wú)源的寄生金屬片與有源的輻射單元耦合以展寬帶寬或者提供另一諧振路徑，從而獲得更寬的工作頻段等。采用上述手段的天線底層本質(zhì)上并無(wú)太大的變化，還是基于PIFA或者IFA天線形式。

這一切直到2010年6月蘋(píng)果公司發(fā)布的iPhone 4才有了重大突破。iPhone 4獨(dú)具匠心地將手機(jī)天線和位于手機(jī)厚度方向中間的邊框整合在一起，玻璃材質(zhì)機(jī)身和銀灰色金屬邊框天線的結(jié)合讓iPhone 4猶如藝術(shù)品一樣優(yōu)雅漂亮。iPhone 4的天線被設(shè)計(jì)在手機(jī)的最外延但是又不像外置天線一樣產(chǎn)生向外的突起，這使得手機(jī)天線在功能和外形上得到了很好的平衡。

如上圖所示，iPhone 4的金屬邊框被設(shè)計(jì)為兩段，一部分負(fù)責(zé)WiFi、藍(lán)牙和GPS頻段的輻射，另一段實(shí)現(xiàn)UMTS/GSM手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的輻射。在iPhone 4問(wèn)世后全球各大主流手機(jī)生產(chǎn)商也紛紛推出了類似的金屬邊框天線的設(shè)計(jì)。專利文獻(xiàn)CN102684722A、 CN103794866A就給出了常見(jiàn)的手機(jī)邊框天線結(jié)構(gòu)。

CN102684722A

CN103794866A

隨著消費(fèi)者對(duì)手機(jī)多功能、高速率、小體積等方面的追求越來(lái)越高，手機(jī)內(nèi)部電路系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，留給天線的設(shè)計(jì)空間越來(lái)越小。在廣告上我們能看到手機(jī)外觀纖薄，然而廣告卻沒(méi)有告訴我們?yōu)榱俗屖謾C(jī)的厚度減少1mm不得不犧牲了多少手機(jī)天線的性能。因?yàn)槭謾C(jī)天線的尺寸直接影響了天線效率。

再加上市場(chǎng)需求也增大了天線設(shè)計(jì)的難度。例如用戶偏好金屬外殼的觸感和光澤，然而金屬是導(dǎo)體，在金屬物體靠近天線時(shí)，由于電磁耦合產(chǎn)生的寄生電容效應(yīng)會(huì)使得天線的諧振頻率產(chǎn)生漂移。三星的旗艦手機(jī)Galaxy系列長(zhǎng)期以來(lái)都被詬病“萬(wàn)年塑料殼”，直到2015年發(fā)布的Galaxy S6才使用金屬外殼。

采用金屬外殼的手機(jī)天線需要根據(jù)實(shí)際情況作出特別的設(shè)計(jì)和調(diào)整。例如全球首款全金屬智能手機(jī)HTC One，為了使得天線能夠工作在特定頻段，在機(jī)身背殼上有明顯的白色縫隙用以隔離出天線區(qū)域，天線饋電點(diǎn)跨接在槽的兩邊。隨后蘋(píng)果公司的iPhone 6也采用了類似的設(shè)計(jì)，但是難看的白邊被用戶吐槽了許久。然而這條白邊實(shí)際上是為了使得天線與手機(jī)金屬外殼共存而做出的妥協(xié)。

3、5G時(shí)代

5G的頻段分布基本以6GHz為界，低于6GHz一般稱之sub-6GHz頻段，而高于6GHz則常稱之毫米波(mm-Wave)段。海量的機(jī)器式通信(mMTC)與超高可靠性低延時(shí)通信(uRLLC)主要使用sub-6GHz頻段，其天線設(shè)計(jì)與3G、4G時(shí)代的天線并無(wú)明顯差異，主要是在面對(duì)5G更顯著的MIMO需求時(shí)，天線數(shù)量增多所帶來(lái)的隔離度問(wèn)題。而增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶(eMBB)要求更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，通信系統(tǒng)軟件方面的改進(jìn)已無(wú)法顯著提升速率，因此5G選擇了將工作頻段提升至毫米波頻段。毫米波頻段此前多為軍用，例如雷達(dá)。因此雷達(dá)的相控陣，波束賦形等技術(shù)也被引入到手機(jī)天線設(shè)計(jì)當(dāng)中。毫米波天線與此前的天線設(shè)計(jì)主要差異在于毫米波天線通常為天線陣列，能夠通過(guò)收發(fā)機(jī)靈活控制陣列中的每一個(gè)陣元的幅度和相位，從而控制天線陣列的波束指向。

但是PIFA天線并不會(huì)在5G時(shí)代消失，因?yàn)槊恳淮苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)都需要“向下兼容”。即5G手機(jī)中，此前4G/3G的功能都會(huì)同時(shí)存在。例如MIMO是LTE的重要特征，5G中使用sub-6GHz頻段的天線將繼續(xù)沿用并優(yōu)化MIMO技術(shù)。專利文獻(xiàn)CN108321498A、CN110235308A示出了典型的手機(jī)MIMO天線結(jié)構(gòu)。

CN108321498A

CN110235308A

小百科之MIMO天線：

最早出現(xiàn)的是SISO：?jiǎn)屋斎雴屋敵? Single Input Single Output )，基站和手機(jī)各一根天線，你發(fā)我收，而隨之容易想到的是采用兩根天線豈不是就能獨(dú)立發(fā)送兩路數(shù)據(jù)，速度翻倍，隨后MIMO（多輸入多輸出Multiple Input Multiple Output）天線應(yīng)運(yùn)而生。如上圖所示，為2×2MIMO，這樣基站和手機(jī)之間就有4條傳輸路徑了。與單天線系統(tǒng)相比，MIMO天線可提高鏈路可靠性并降低衰減。

MIMO天線在同一物理外殼中設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的天線，并設(shè)計(jì)用于IEEE 802.11n/ac Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)使用多個(gè)天線，MIMO天線能夠在相同無(wú)線電發(fā)射功率下實(shí)現(xiàn)高于單個(gè)天線的吞吐量和傳輸距離。MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。

5G的毫米波天線將額外設(shè)計(jì)輻射單元。為了產(chǎn)生諧振需要將手機(jī)天線配置為特定電長(zhǎng)度，如四分之一波長(zhǎng)。頻率越高，波長(zhǎng)越短，天線所需要的電長(zhǎng)度就越短，天線尺寸就更緊湊更有利于整合到手機(jī)中。如下圖的專利文獻(xiàn)CN108400426A公開(kāi)的毫米波天線所示，天線3的尺寸相比于2G-4G的手機(jī)天線，尺寸明顯縮小。然而毫米波存在劇烈的空間損耗，5G毫米波的波束還需要在特定范圍內(nèi)能夠掃描，因此對(duì)電磁波具有干擾作用的導(dǎo)電金屬外殼即將成為歷史，采用3D玻璃外殼的手機(jī)將會(huì)是未來(lái)的主流方向。

縱觀手機(jī)天線的發(fā)展，其技術(shù)改進(jìn)一直是被用戶的需求所推動(dòng)，并綜合各種因素的考慮作出平衡的設(shè)計(jì)。雖然我們?cè)絹?lái)越難以注意到手機(jī)天線的存在，然而在即將到來(lái)的5G時(shí)代，其仍將扮演重要的角色。

參考文獻(xiàn)：

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[2]L. J. Chu, "Physical limitations on omni-directional antennas", J. Appl. Phys., vol. 19, pp. 1163-1175, Dec. 1948

[3]R. C. Hansen, "Fundamental limitations in antennas", Proc. IEEE, vol. 69, pp. 170-183, Feb. 1981

[4]J. S. Mclean, "A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas",IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 44, NO. 5, May 1996

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編輯：IPRdaily王穎          校對(duì)：IPRdaily縱橫君

注：原文鏈接：從5G手機(jī)看手機(jī)天線的前世今生（點(diǎn)擊標(biāo)題查看原文）

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