2018.12.14
5G讓我們的手機變醜?天線的鍋

 

 

 

說起天線,想必大家都不陌生,但說起智慧機中的天線,也許很多人就不知道了。如今智慧機中的天線,是機身內部的一根根小金屬片。

 

有一種說法是,每一款最終出現在我們面前的智慧機都是妥協的產物。當然,換個角度我們也可以用平衡這個詞。現階段來說,平衡主要作用於設計與功能。更強的拍攝系統與突出的攝像頭,更輕薄的機身與更持久的續航,現階段都是不可解決的矛盾。

 

如何取捨,便是平衡的藝術。

 

顯然,消費者與廠商對智慧機的願景總是會領先於實際,由此引發的關於平衡的問題,不僅會存在于智慧機發展的過去,存在於現在,更會存在于未來。

 

5G時代的舍與得

 

美國夏威夷時間124日-6日,高通於夏威夷正式召開第三屆驍龍技術峰會。雖然有驍龍855處理器的初登場,但我們都知道,本次峰會的主題,是5G

 

 

5G時代,真的快要來了。

 

此前,華為與三星均預計將在2020年實現5G網路的商用。國內方面,包括中國移動、聯通、電信在內的三大運營商均表示將在2020年實現5G網路的正式商用。而韓國運營商則更為激進,已經於近日正式推出5G網路運營服務。據悉,韓國的5G網路將首先提供給企業使用。

 

5G更高的傳輸速率與更低的延遲將改變人們的生活方式,為物聯網的普及奠定基礎,打開AI生活的大門。看起來,5G時代盡是好事。然而你是否想過,5G時代的智慧機,也許會比現在醜得多?

 

沒錯,這又是一個設計與功能的取捨問題。而這一次的主角,是天線。

 

天線設計的難點

 

說起天線,想必大家都不陌生,但說起智慧機中的天線,也許很多人就不知道了。如今智慧機中的天線,是機身內部的一根根小金屬片。移動資料需要天線,藍牙功能需要天線、GPS也需要天線。只要涉及到信號傳輸,就需要天線。

 

不同天線的長度並不相同。這主要涉及到信號的頻段與波長。頻段越高,波長越短,天線也就越短(大概為波長的14)。

 

 

那麼,問題也就來了。

 

就國內來說,5G一共分有低頻與高頻兩個頻段。低頻頻段為35Ghz,和現在4G頻段相差不多,天線可以沿用當下的設計。但是,為了滿足5G的傳輸速率要求,就必須提高天線的數量。

 

MIMO(多輸入多輸出)多天線技術就此登場。

 

MIMO技術理解起來也很簡單,1x1 MIMO就是1根發射天線與1根接收天線,4x4 MIMO就是4根發射天線與4根接收天線。相比來說,4x4 MIMO在傳輸速率上肯定是遙遙領先於1x1 MIMO的。畢竟,四車道肯定比一車道運輸量更大。

 

 

低頻頻段使用MIMO多天線技術就能夠解決問題,但在高頻頻段卻遠遠不行。如上文所說,頻率越高,波長越短。在5G高頻頻段,通信波長只有10mm左右(毫米波)。物理學告訴我們,波長越短,傳輸衰減就越大。

 

5G創業公司Movindi的研發人員表示,手指、人臉在5G毫米波天線前會產生“臨近效應”。不僅會導致信號下降,甚至可能會直接遮罩信號,死亡之握的概率大大提升。但是,更大的挑戰還在後面。

 

如今流行的全面屏設計將會成為5G時代天線設計的最大挑戰。同許多人想的並不一樣,全面屏設計中最難的並不是螢幕設計,而是天線設計。一般來說,手機中的天線是360°全方位輻射的,因此在其附近的一定範圍內是要避免出現金屬的,這個範圍就是“淨空區”。

 

 

過往天線的淨空區往往放在“下巴”上。然而,全面屏設計大大壓縮了“下巴”的面積,一整塊具有金屬材質的螢幕完全遮住了手機的正面,這就對天線的設計提出了非常非常高的要求。

 

 

具體來說,由於5G毫米波非常短,來自金屬的干擾會更加嚴重,至少需要15mm的淨空區。而5G手機被人手和人臉遮擋時,信號會開始尋找最低誤碼率頻段。所以在設計5G終端時候,天線安裝的位置一開始就要合適,使其易於尋找最合適的頻段。

 

 

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於用戶的無線體驗,但越廣的空間覆蓋度,往往要犧牲手機外觀設計。此外,為防止散熱不當對天線系統造成損壞,在整機設計時也要注重材質的把控。

 

綜合來看,由5G天線設計帶來的挑戰,很可能會迫使廠商拋棄掉金屬材質後蓋,更改機身的形狀和尺寸。如果你對此沒有直觀的印象,那麼看看moto Z3最新的5G模組,就會有答案了。

 

解決方法-天線陣列

 

高難度天線設計並不意味著5G時代的智慧機一定會變醜。可以說,5G時代智慧機市場可能會迎來新一輪洗牌,真正具有實力的廠商將會脫穎而出,繼續為消費者帶來顏值與功能俱佳的產品。

 

 

 

事實上,5G天線設計困難重重,但不是沒有解決方案。目前,業內普遍看好天線陣列(多天線單元)設計,即將許多相同的單天線按照一定的規律排列組成的天線系統。

 

當下5G毫米波天線陣列一般是基於相控陣的方式,具體實現方式又可以分為AoB Antenna on Board,即天線陣列位於系統主機板上)、AiP Antenna in Package,即天線陣列位於晶片的封裝內),與AiM Antenna in Module,即天線陣列與RFIC形成一模組)三種。目前AiM方式為業界普遍接受。

 

 

貼片天線(patch antenna

 

AiM的毫米波天線陣列為了實現更廣的空間覆蓋,一般會以輻射波束互補(如broadside radiation,即寬邊輻射,與endfire radiation,即端射)的天線種類(如patch antenna,即貼片天線,與QuasiYagi antenna,即准八木天線)進行搭配設計,並基於天線饋點的適當設計,以達到雙極化(垂直與水準極化)的覆蓋,從而大幅改善毫米波信號的範圍和覆蓋率。

 

 

 

准八木天線(QuasiYagi antenna

 

同時,通過在不同位置設置多個毫米波天線陣列,如多個AiM模組,適時切換到其他波束,以避免智慧機被外物覆蓋(如手)時,可能會出現的單個陣列性能受影響的情況。

 

多天線陣列的切換,還可能會帶來另一個問題。性能較弱的天線陣列切換到性能較強的天線陣列的間隙,可能會漏失大量資料,而造成使用者連接體驗的顯著下降。基於此,是否切換天線陣列,如何縮短切換天線陣列的時間,需要硬體工程師與軟體工程師協同合作,更能考驗廠商的功底。

 

 

高通QTM052毫米波天線模組

 

另外,小尺寸相控天線陣設計,有助於減少5G天線對內部空間和天線淨空區的需求,從而實現更加緊湊的機身設計和更高占比的螢幕。高通於今年10月發佈的QTM052毫米波天線模組在上代的基礎上縮小25%,進一步減少了5G天線對手機空間的佔用。

 

 

值得欣慰的是,在今年124日舉行的第三屆驍龍技術峰會上,高通展出的5G原型機相比先前的技術展示機型已經有了相當大的進步,從外形來看,它已經和當下主流的全面屏手機沒有太大的差異,等到5G正式落地還有一段時間,這令人對5G時代的手機設計又多了一分期待。

 

總結

 

 

5G時代是全新的時代,不僅是天線設計,基於5G的網路佈局,基於5G的生態鏈,基於5G的應用場景,均對智慧機廠商提出了新的挑戰。好在,挑戰也是機遇。5G時代,真正具有能力的廠商必將脫穎而出,在新時代,實現新的飛躍。