手机天线设计的杂谈

关键字 :天线设计
手机从最初的大哥大到今天经历了数十种形态发展,但在变化的背后始终离不开通讯技术进化的因素。
而在过去数十年的发展中,手机信号频率从MHz迭代到了GHz;用于收发信号的物理天线从机身以外隐藏到边框以内,数量也从一根变成了今天的数条。

     

新一代通讯技术革命推进了移动互联网和app发展。此时手机能做到的也不单只有简单的通讯,诸如GPS、WiFi、蓝牙连接功能都在手机里同时发芽,显然过去的天线布局不能满足这些需求,因此多天线协作就有了存在的必要性。不过尽管多天线能解决手机功能协作的问题,但厂商从1到X的迈进,也并非一路畅通。

一个广为人知的例子是,苹果曾尝试在iPhone 4的不锈钢中框通过注塑工艺安装双外天线,从而避免金属对信号的干扰,让手机拥有金属和玻璃机身同时,也能让手机的通话、GPS、蓝牙等功能正常运作。
然而好景不长,由于iPhone 4的两根注塑天线分为上下两部分,位于下部的外天线恰好是用户最容易触碰的地方,当用户手握手机时,手机往往会因为用户手掌遮挡天线而导致信号大幅衰弱。
iPhone 4“死亡一握”的说法便由此而来。当然解决办法还是有的。在之后的iPhone 4S上,苹果在机身增加了天线数量,从iPhone 4的2条增加为4条,并且还加入了天线切换策略——当用户在手握设备天线区域时,手机会自动切换到信号最好的天线,如此类推,从而避免再次出现死亡一握的尴尬情况。

时至今天,多天线设计和智能切换仍被广泛应用,而且根据不同的产品特性,手机厂商也会对手机天线进行不同的变形。

前段时间黑鲨发布了黑鲨手机2,这款手机号称采用交叉天线+侧天线的方案,从而避免用户横向握持手机时对网络稳定性造成的影响;而荣耀的V20也在V型天线的基础上增加侧天线排列,同样也是为了避免用户握持手机时对信号的影响。

  诸如以上两个品牌针对产品而定制天线的厂商有不少,但他们的目的也是同样为了优化手机信号。虽然我们提及到信号问题时往往会说到基带,但其实天线对手机信号也起到了决定性作用。
  今年苹果在iPhone XS系列和 iPhone XR上采用了英特尔供应的XMM7560基带。不巧在苹果换上新基带后,iPhone XS/XR都出现了信号不佳的尴尬情况,公众便自然将矛头指向了基带供应商英特尔。
  不过对于 iPhone XS 的信号问题,除了基带,在网络上也存在另一种说法:个人简介为“华为天线工程师”的网友 l.2016 在去年的知乎提问中曾提出,iPhone XS 的信号问题根本,其实是来自于苹果第一次使用的 44 MIMO 天线(手机收发信号主要由三部分构成:基带、射频、天线),而导致苹果冒险使用 44 MIMO 的原因,很大一部分是来自于通讯运营商的压力。
  今年是 iPhone 第一次做 44 MIMO。所以可以在外观上明显可以看出多开了 2 条缝,就是为了多加 2 个天线,从原来的 22 升级到 44。很不幸的是增加天线不是多开个槽就可以多做一个天线这么简单。44 MIMO 天线同频工作时的隔离度是非常难搞定的。同时原来的天线体积也会变小,导致性能下降。大家现在只关注到 lte 信号不好,其实顶部的分集,GPS/WIFI 天线性能也是变差了。
     为了迎接 5G,厂商要做的并不只是排天线

  虽然目前没有任何一家权威机构能为 iPhone XS 的信号问题定论,但在郭明錤这份报告中,他认为 iPhone XS 目前在用的 LCP 天线不但提高了单机成本,而且也影响了手机在某些场景下的收发效能。
  目前由于 MPI 在 4G 和 LTE 频段中的无线效能表现已经不输 LCP,但 MPI 的生产和成本比 LCP 更具优势,因此我们预期大部分的新款 iPhone 天线软板将舍弃 LCP 改用 MPI 材料。
      
  
  厂商要考虑 MPI 不无道理,虽然 LCP 天线是目前先进且被广泛使用的天线方案,但相比于传统的 PI 材质,一台 iPhone 的 LCP 天线成本约 6——10 美元,这要比传统的 PI 材质成本高出数倍。
       另一方面,在 Sub-6GHz 和 mmWare 毫米波(3——5GHz;20——30GHz)两种 5G 频段下,手机必需要更多的天线去处理高频传输的吞吐,这便需要更高的成本去布置 6 条甚至更多的天线,而在 MPI 的中低频效能追上 LCP 这个大前提,同时也出于对制造成本和售价的控制,厂商选用成本更低的 MPI 和 LCP 混搭布局,也并非绝不可能。
      当然,要迎接 5G 的到来,手机厂商也并非只增加天线就能完成任务,和网路关联的还有基带、处理器等核心零件,而更大的信息处理能力往往也需要更大的电池支持,电池容量又和手机的大小体积挂钩。
  所以在 5G 这个节点到来之前,我们可见的是,智能手机的内部设计正出现着变化。

  vivo 在去年发布了首款支持 5G 网络的概念手机 APEX 2019,这款手机的独到之处并非只是支持 5G,而是 vivo 在这款手机内采用了立体堆叠设计的主板。
  利用手机的纵向立体空间,新增加的 5G 模块被设置在主板上方,这样做的目的能将主板面积缩小 30% 的同时,也增加了 20% 的布板面积,继而保障手机拥有大容量电池来支撑手机的 5G 网络运作。
  与此同时,我们在 5G 版的 Galaxy S10 手机上,也能看到类似的主板设计。但无论是 vivo 还是三星,它们都将面临手机散热问题的考验,因此“薄”将不会再是厂商在 5G 时代的首要设计追求,网络能力和散热是他们短期内的追求目标。

  智能手机实际上只是通讯革命下受影响最大的一种产品,在 5G 到来后,诸如平板电脑、笔记本电脑等电子设备的设计、工艺,甚至定价都会因为下一代通讯技术的出现而有不同程度的变化。
  总体而言,新一代通讯技术的出现正推进着电子行业的巨轮往各方面突破,诸如主板工艺、天线设计、电池续航、对供应链的把控力等等,显然厂商接下来要迎接的挑战,远比我们想象中的要多。MPI 和 LCP 的天线组合,其实只是平衡 5G 手机零件成本的其中一种办法而已。
  手机因通讯技术的变化而改变,正如过去的手机从物理键盘变成触屏、从电话变成万物互联的起点、轿车从有人到无人驾驶,新通讯技术的出现让手机有了新形态的可能。接下来的手机和电子产品会因为 5G 而变成什么样,仍有待我们共同去见证。

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