从大哥大到iPhoneXS，手机天线进化史与5G新挑战

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（编辑：温州站长网）

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