5G手机天线技术纵横谈

我国5G推进组6月1日在第一届全球5G大会上正式发布了《5G网络架构设计》白皮书，华为公司近期在5G系统中提交的短码方案正式成为标准之一，这体现了我国5G网络技术研究的最新成果，这意味着我国从5G概念的研究已经进入实质推进阶段——5G真的要来了。相比4G，手机中天线有什么不同？本文来谈谈之。

 
一、5G是什么？
在3G、4G和5G等名词中，G是英文单词"generation"（第x代）的缩写。因此，5G就是第五代移动通信技术。第一代是模拟技术;第二代实现了数字化语音通信;第三代是人们熟知的4G技术，以多媒体通信为特征;第四代是正运营的4G技术，其通信速率大大提高，标志着进入无线宽带时代。但是，4G还不是宽带无线在线相连接系统，仅仅解决了无线互联有和无的问题，以具体应用为例，还远远满足不了正迅猛发展的无线虚拟技术的大数据实施交互需求，也满足不了无人驾驶的在线数据服务

 

为此，5G应运而生，5G的用户核心体验指标是：其峰值速率将增长数十倍，从4G的100Mb/s提高到几十Gb/s。也就是说，1秒钟可以下载10余部高清电影，可支持的用户连接数增长到100万用户/平方公里，可以更好地满足物联网这样的海量接入场景。同时，端到端延时将从4G的十几毫秒减少到5G的几毫秒。至于详细的技术规范，太复杂，本文不展开谈。
二、5G什么时候商用?
2017年，中国移动选取4-5个城市，每个城市大约建7个站点作系统验证，形成商用样机；
2018年，在数个城市，每个城市建设20个站点进行规模试验，形成端对端商用产品和预商用网络；
2019年，继续扩大试验网规模，城市试验数量增加，基站增加；
2020年，形成万用户规模，商用规模开始部署。
 
三、5G重点和网络射频部分简介
1、基站和终端
5G网络是一个密集分布基站网络，基站分布密度比前几代移动系统都高。
其中，基站移动终端之间采用28Ghz的毫米波频段通讯。基站天线系统采用相控阵天线体制。波束在垂直和水平两个方向交叉极化，以实现更高的用户密度和增加系统用户容量。

 

 
5G终端具备自选基站能力，可以根据基站误码率挑选误码率低的基站和信道通讯。


实现以上这些功能，依赖阵列天线技术，基站和终端都用到了毫米波相控阵天线。终端中天线阵列为4X4点阵；
 

2、回顾下终端中天线技术
手机中布满了天线，从GPS、蓝牙、wifi、2G、3G、4G等频段。频率越低，尺寸越大。毫米波，顾名思义，其波长尺度在10mm内了，照波长四分之一计算，约2.5mm的点阵，就是组成有规则间距的阵列。
 

 
 
4G的天线一般布置在手机上下端部和侧面，采用了LDS（立体电路的一种制造工艺，激光在3D曲面塑胶上选择性沉积金属工艺）和FPC（柔性线路板）配合侧面金属边框来实现终端天线功能：
 
 

 
 
 
 
 
 
 

金属机身手机中，外露的中框一段金属与手机内FPC组成了天线：


若2017年玻璃机身手机开始流行，这类手机拟用到的工艺和材质依然是FPC和LDS工艺，也有把天线制造在玻璃壳体和玻璃支架上的：


0.1-0.2mm厚度3D的玻璃支架上制造边框触摸和天线（深圳微航提供制造）
 
3、5G的手机天线特点及其工艺
（1）5G终端天线，对周边金属很敏感，
由于毫米波之波长很短，来自金属的干扰是非常厉害的，印刷线路板（即PCB板），需要其与有金属的物体之间需要保持1.5mm的净空。

（2）5G天线是垂直与水平天线交互的点阵
这种垂直和水平交互的天线，对应垂直和水平两个极化方向的信号收发。
 


 
（3）5G天线对安装位置有特殊要求
由于5G终端天线是相控阵体系，其天线单元需要合成形成聚焦波束，因此需要规则的位置进行摆放,天线不能被金属遮挡，适合3D空间扫描，规则的空间。


 
 
5G终端，被人手和人体遮挡，其信号都会开始寻找最低误码率频段，形象的说，手机像一个长了眼睛的小宠物，一旦遮挡他，他即刻眼球四处转动寻找最优信道。我们把5G手机这一动作叫手机寻优，因此，设计终端时候，安装天线位置一开始就要合适，使其好寻优。目前手机终端中，最适合5G天线位置是两端，尤其是上端部（听筒位置附近），其他4G内天线都要给其让路，也就是说有优选位置权，其他天线移到他处。

 
 
 
（4）5G天线是一个含芯片的模组
天线点阵，16个小的米粒大小的天线，不可能用16根屏蔽线引出信号到射频芯片了，需要就地解决与芯片连接难题。引出天线与点阵天线做成一体，一般一个芯片管理四个点阵。

天线模组输出不是射频信号，可以用接插件引出端子到手机主板上。
 
（5）5G天线用什么材料制造?
这涉及到模组封装问题，
●柔性基材
前文中提到的4G天线制造材料中FPC工艺，涉及到PI膜（聚酰亚胺）是不能用于10G频率以上系统，因为，材料有一个叫损耗的指标，聚酰亚胺基材，在10Ghz以上损耗很厉害了。
微航推出一种基材厚度在6微米，增材制造技术沉积金属的工艺，去掉了基材与铜箔之间胶层和覆盖膜上胶层，可用于毫米波段天线制造。
●刚性基材
塑胶、和线路板材质
既要3D封装，又要焊接电子元件，又要毫米波段电磁损耗低，这样材料不多，
刚性线路板都没有用于4G天线，也不会用于5G。若采用适合毫米波段的印制电路板材料，把天线和电路全制造的这种印制板上，如下图：

则，价格是很贵的，且天线是平面构型，性能会大打折扣，若把天线部分拆出来用高频硬质板制造，则失去了3D性能（手机四个角落弧形，天线需要共形设计）。
毫米波段，对手机天线位置很敏感，差之毫厘，失之千里（指手机入网指标）。
塑胶中毫米波段低损耗的材质是液晶聚合物（LCP）和PPS材质，但都需要再进一步改性成LDS基材。微航磁电公司未雨绸缪，推出这种天线模组制造全套制造流程。也可以采用"改性PP材质支架+激光点焊芯片工艺"，这是一种低成本材料体系,利益PP材质低损耗，用激光点焊回避了其不耐高温焊接缺陷。激光点焊（配合特殊焊接锡膏），是一种在低温基材上焊接电子元件技术。其实5G基站天线都可以采用此种工艺大幅度降低材料成本。4G的室内分布基站，目前都采用塑胶材质代替微波电路板，见下图：
 

4G室内分布基站，运营商已经在使用中，微航代工制造这种天线组件，
5G时代，基站更多，采用先进材料和制造工艺降低成本非常重要。
 
总之4G时代成长起来的LDS工艺还将大放异彩，只是换了材料而已。
（6）5G终端会有4G/3G天线吗?
需要,至少5G终端开通初期,因此手机中天线林立，由于毫米波存在缺陷，如手握、屋内屋外遮蔽都会使信号衰减严重。因此，4G网络及5G的低频段通讯也是必须的。如同4G建网之初，用户4G搜不到信号了，自动转3G搜索一样。5G时代，用户手机在毫米段搜不到信号或信号不强，将自动切换低频段通讯。