搜索5G時(shí)代預(yù)計(jì)2020年來(lái)臨，其手機(jī)天線工藝有何不同？
2017-02-26 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
在3G、4G和5G等名詞中,G是英文單詞“generation”(第x代)的縮寫(xiě)。因此,5G就是第五代移動(dòng)通信技術(shù)。
第一代是模擬技術(shù);第二代實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化語(yǔ)音通信;第三代是人們熟知的4G技術(shù),以多媒體通信為特征;第四代是正運(yùn)營(yíng)的4G技術(shù),其通信速率大大提高,標(biāo)志著進(jìn)入無(wú)線寬帶時(shí)代。但是,4G還不是寬帶無(wú)線在線相連接系統(tǒng),僅僅解決了無(wú)線互聯(lián)有和無(wú)的問(wèn)題,以具體應(yīng)用為例,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了正迅猛發(fā)展的無(wú)線虛擬技術(shù)的大數(shù)據(jù)實(shí)施交互需求,也滿足不了無(wú)人駕駛的在線數(shù)據(jù)服務(wù)。
為此,5G應(yīng)運(yùn)而生,5G的用戶核心體驗(yàn)指標(biāo)是:其峰值速率將增長(zhǎng)數(shù)十倍,從4G的100Mb/s提高到幾十Gb/s。也就是說(shuō),1秒鐘可以下載10余部高清電影,可支持的用戶連接數(shù)增長(zhǎng)到100萬(wàn)用戶/平方公里,可以更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)這樣的海量接入場(chǎng)景。同時(shí),端到端延時(shí)將從4G的十幾毫秒減少到5G的幾毫秒。至于詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范,太復(fù)雜,本文不展開(kāi)談。
2017年,中國(guó)移動(dòng)選取4-5個(gè)城市,每個(gè)城市大約建7個(gè)站點(diǎn)作系統(tǒng)驗(yàn)證,形成商用樣機(jī);
2018年,在數(shù)個(gè)城市,每個(gè)城市建設(shè)20個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行規(guī)模試驗(yàn),形成端對(duì)端商用產(chǎn)品和預(yù)商用網(wǎng)絡(luò);
2019年,繼續(xù)擴(kuò)大試驗(yàn)網(wǎng)規(guī)模,城市試驗(yàn)數(shù)量增加,基站增加;
2020年,形成萬(wàn)用戶規(guī)模,商用規(guī)模開(kāi)始部署。
(1)5G終端天線,對(duì)周邊金屬很敏感
由于毫米波之波長(zhǎng)很短,來(lái)自金屬的干擾是非常厲害的,印刷線路板(即PCB板),需要其與有金屬的物體之間需要保持1.5mm的凈空。
(2)5G天線是垂直與水平天線交互的點(diǎn)陣
這種垂直和水平交互的天線,對(duì)應(yīng)垂直和水平兩個(gè)極化方向的信號(hào)收發(fā)。
(3)5G天線對(duì)安裝位置有特殊要求
由于5G終端天線是相控陣體系,其天線單元需要合成形成聚焦波束,因此需要規(guī)則的位置進(jìn)行擺放,天線不能被金屬遮擋,適合3D空間掃描,規(guī)則的空間。
5G終端,被人手和人體遮擋,其信號(hào)都會(huì)開(kāi)始尋找最低誤碼率頻段,形象的說(shuō),手機(jī)像一個(gè)長(zhǎng)了眼睛的小寵物,一旦遮擋他,他即刻眼球四處轉(zhuǎn)動(dòng)尋找最優(yōu)信道。我們把5G手機(jī)這一動(dòng)作叫手機(jī)尋優(yōu),因此,設(shè)計(jì)終端時(shí)候,安裝天線位置一開(kāi)始就要合適,使其好尋優(yōu)。目前手機(jī)終端中,最適合5G天線位置是兩端,尤其是上端部(聽(tīng)筒位置附近),其他4G內(nèi)天線都要給其讓路,也就是說(shuō)有優(yōu)選位置權(quán),其他天線移到他處。
(4)5G天線是一個(gè)含芯片的模組
天線點(diǎn)陣,16個(gè)小的米粒大小的天線,不可能用16根屏蔽線引出信號(hào)到射頻芯片了,需要就地解決與芯片連接難題。引出天線與點(diǎn)陣天線做成一體,一般一個(gè)芯片管理四個(gè)點(diǎn)陣。
天線模組輸出不是射頻信號(hào),可以用接插件引出端子到手機(jī)主板上。
(5)5G天線用什么材料制造?
● 柔性基材
前文中提到的4G天線制造材料中FPC工藝,涉及到PI膜(聚酰亞胺)是不能用于10G頻率以上系統(tǒng),因?yàn)?材料有一個(gè)叫損耗的指標(biāo),聚酰亞胺基材,在10Ghz以上損耗很厲害了。
微航推出一種基材厚度在6微米,增材制造技術(shù)沉積金屬的工藝,去掉了基材與銅箔之間膠層和覆蓋膜上膠層,可用于毫米波段天線制造。
● 剛性基材
塑膠、和線路板材質(zhì)。既要3D封裝,又要焊接電子元件,又要毫米波段電磁損耗低,這樣材料不多,剛性線路板都沒(méi)有用于4G天線,也不會(huì)用于5G。若采用適合毫米波段的印制電路板材料,把天線和電路全制造的這種印制板上,如下圖:
這樣做,價(jià)格是很貴的,且天線是平面構(gòu)型,性能會(huì)大打折扣,若把天線部分拆出來(lái)用高頻硬質(zhì)板制造,則失去了3D性能(手機(jī)四個(gè)角落弧形,天線需要共形設(shè)計(jì))。毫米波段,對(duì)手機(jī)天線位置很敏感,差之毫厘,失之千里(指手機(jī)入網(wǎng)指標(biāo))。
塑膠中毫米波段低損耗的材質(zhì)是液晶聚合物(LCP)和PPS材質(zhì),但都需要再進(jìn)一步改性成LDS基材。微航磁電公司未雨綢繆,推出這種天線模組制造全套制造流程。也可以采用“改性PP材質(zhì)支架+激光點(diǎn)焊芯片工藝”,這是一種低成本材料體系,利益PP材質(zhì)低損耗,用激光點(diǎn)焊回避了其不耐高溫焊接缺陷。激光點(diǎn)焊(配合特殊焊接錫膏),是一種在低溫基材上焊接電子元件技術(shù)。其實(shí)5G基站天線都可以采用此種工藝大幅度降低材料成本。4G的室內(nèi)分布基站,目前都采用塑膠材質(zhì)代替微波電路板,見(jiàn)下圖:
4G室內(nèi)分布基站,運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在使用中,微航代工制造這種天線組件,5G時(shí)代,基站更多,采用先進(jìn)材料和制造工藝降低成本非常重要?？傊?G時(shí)代成長(zhǎng)起來(lái)的LDS工藝還將大放異彩,只是換了材料而已。
(6)5G終端會(huì)有4G/3G天線嗎?
需要,至少5G終端開(kāi)通初期,因此手機(jī)中天線林立,由于毫米波存在缺陷,如手握、屋內(nèi)屋外遮蔽都會(huì)使信號(hào)衰減嚴(yán)重。因此,4G網(wǎng)絡(luò)及5G的低頻段通訊也是必須的。如同4G建網(wǎng)之初,用戶4G搜不到信號(hào)了,自動(dòng)轉(zhuǎn)3G搜索一樣。5G時(shí)代,用戶手機(jī)在毫米段搜不到信號(hào)或信號(hào)不強(qiáng),將自動(dòng)切換低頻段通訊。
手機(jī)中布滿了天線,從GPS、藍(lán)牙、wifi、2G、3G、4G等頻段。頻率越低,尺寸越大。毫米波,顧名思義,其波長(zhǎng)尺度在10mm內(nèi)了,照波長(zhǎng)四分之一計(jì)算,約2.5mm的點(diǎn)陣,就是組成有規(guī)則間距的陣列。
4G的天線一般布置在手機(jī)上下端部和側(cè)面,采用了LDS(立體電路的一種制造工藝,激光在3D曲面塑膠上選擇性沉積金屬工藝)和FPC(柔性線路板)配合側(cè)面金屬邊框來(lái)實(shí)現(xiàn)終端天線功能:
金屬機(jī)身手機(jī)中,外露的中框一段金屬與手機(jī)內(nèi)FPC組成了天線:
若2017年玻璃機(jī)身手機(jī)開(kāi)始流行,這類手機(jī)擬用到的工藝和材質(zhì)依然是FPC和LDS工藝,也有把天線制造在玻璃殼體和玻璃支架上的:
5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)密集分布基站網(wǎng)絡(luò),基站分布密度比前幾代移動(dòng)系統(tǒng)都高。
其中,基站移動(dòng)終端之間采用28Ghz的毫米波頻段通訊?；咎炀€系統(tǒng)采用相控陣天線體制。波束在垂直和水平兩個(gè)方向交叉極化,以實(shí)現(xiàn)更高的用戶密度和增加系統(tǒng)用戶容量。
5G終端具備自選基站能力,可以根據(jù)基站誤碼率挑選誤碼率低的基站和信道通訊。
實(shí)現(xiàn)以上這些功能,依賴陣列天線技術(shù),基站和終端都用到了毫米波相控陣天線。終端中天線陣列為4X4點(diǎn)陣;
下面簡(jiǎn)單普及一下LDS技術(shù):
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一什么是立體電路? |
立體電路是指相對(duì)傳統(tǒng)的平面電路而言,將電子元器件直接焊接在3維曲面基材上的電路技術(shù)。根據(jù)工藝過(guò)程、電路形成方式,實(shí)現(xiàn)立體電路的制造工藝有多種,如LDS技術(shù)、PDS導(dǎo)電油墨印刷、LRP激光剝離、3D綜合打印等。其中LDS技術(shù)制造的立體電路產(chǎn)品,可以滿足PCB的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
通過(guò)高溫LDS材料改性,激光鐳雕工藝改善和化學(xué)鍍藥水配方實(shí)驗(yàn),目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)0402的芯片,焊接在立體電路的線路,可以承受0.45Kg的拉力。達(dá)到了PCB行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。
圖:立體電路用于手機(jī)天線(左),立體電路附著力測(cè)試
立體電路是近十多年發(fā)展起來(lái)的電路組裝技術(shù)。它基于結(jié)構(gòu)和性能的要求,可以把電子元器件直接焊接在塑膠曲面上,為產(chǎn)品創(chuàng)新,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破,尋求到了新的解決方案。相比傳統(tǒng)的印制線路基材,其有特殊的優(yōu)點(diǎn),是對(duì)傳統(tǒng)的電路制造技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展。
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二LDS實(shí)現(xiàn)立體電路的全制程! |
視頻:立體電路全制程,來(lái)源于微航磁電
立體電路是一類電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形態(tài),LDS則是打造這類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形態(tài)最重要的工藝之一。了解更多LDS,請(qǐng)點(diǎn)擊查看→LDS塑料如何讓天線長(zhǎng)到4G手機(jī)面蓋上?如視頻所示,立體電路全制程主要包括6個(gè)工序:材料改性、工程注塑、激光鐳射、表面化學(xué)鍍、3D噴錫、3D貼片等工序。如下圖所示:
1、材料改性
常規(guī)的塑膠原材料雖然也可以通過(guò)激光表面處理,進(jìn)行緊密金屬沉積來(lái)獲得金屬線路。但是其結(jié)構(gòu)附著力,是不能夠與專用LDS材料相比的。專用的LDS材料中添了微細(xì)的少量的金屬化合物和相容劑等助劑,通過(guò)注塑后,這些金屬化合物均勻的分布在塑膠殼體內(nèi),采用激光活化出的金屬原子,是嵌入在塑膠粒子之間,所以化學(xué)鍍銅后,生成的金屬層與塑膠層的附著力非常好;手機(jī)天線的材料一般以PC等塑料為主要成分,目前也是使用量最大的立體電路材料。
另外,形成立體電路,就要進(jìn)行高溫噴錫貼片,所以高性能立體電路的材料,必須是耐高溫的。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的高溫尼龍復(fù)合LDS材料,就可以耐溫達(dá)到290度,可以替代進(jìn)口的LCP材料。
圖:智能3D打印LED燈,微航磁電用立體電路材料3D打印而成
2.工程注塑(注塑)
此工序即是將專用原材料通過(guò)注塑成型得到規(guī)定形狀的注塑件。這道工序除了常規(guī)的殼料注塑要求,還要求在開(kāi)模的時(shí)候,盡量避免合模線在線路區(qū)域,盡可能避免線路區(qū)域存在批鋒、毛刺、銳角等問(wèn)題。
此外,立體電路產(chǎn)品殼體的注塑是嚴(yán)格禁止采用水口料的。
圖:JSW注塑機(jī)
3、激光鐳雕
產(chǎn)品殼體注塑好后,下一道工序就是激光鐳雕,進(jìn)行素材表面區(qū)域,線路圖案內(nèi)的素材表面進(jìn)行激光活化。激光鐳雕一般需要采用專用的激光設(shè)備和工裝夾具。根據(jù)3D線路圖案的形裝,采用不同的激光鐳雕機(jī)臺(tái)和工裝夾具。
國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的大型流水線型激光機(jī),可以通過(guò)六軸聯(lián)動(dòng),進(jìn)行復(fù)雜3D曲面的圖形鐳雕加工,不需要二次裝夾,取代進(jìn)口的三激光頭機(jī)器。
圖:流水線型六軸激光鐳雕機(jī)
4、表面化學(xué)鍍
塑膠殼體通過(guò)激光活化,在72小時(shí)之內(nèi),就必須進(jìn)行表面化學(xué)鍍。表面化學(xué)鍍也稱無(wú)電解鍍或者自催化鍍,是在無(wú)外加電流的情況下借助合適的還原劑,使鍍液中金屬離子還原成金屬,并沉積到零件表面的一種鍍覆方法。
在立體電路工藝中,因?yàn)橐ＷC較強(qiáng)的附著力和金屬層的致密性,所以需要在化學(xué)鍍過(guò)程中,通過(guò)藥水的活性,嚴(yán)格控制銅的生長(zhǎng)速度。通過(guò)調(diào)節(jié)藥水的PH值,控制藥水對(duì)素材的侵蝕。以及通過(guò)一些特殊的前處理工藝,解決產(chǎn)品化鍍開(kāi)裂,金屬層保護(hù)的問(wèn)題。
圖:NMT+LDS工藝中化鍍鋁基材的保護(hù)方案
5、立體噴錫
傳統(tǒng)的噴錫只能進(jìn)行平面噴錫,不能進(jìn)行立體電路的曲面噴錫,需要用到專用的設(shè)備方可以進(jìn)行。
圖:立體噴錫量產(chǎn)過(guò)程
6、立體焊接(貼片)
傳統(tǒng)SMT貼片稱為表面貼裝或表面安裝技術(shù)。它是一種將無(wú)引腳或短引線表面組裝元器件安裝在印制電路板(PCB)的表面或其它基板的表面上,通過(guò)回流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術(shù)。而立體貼片是相對(duì)于傳統(tǒng)的SMT貼片,實(shí)現(xiàn)在3D曲面的塑膠殼體上,進(jìn)行電子元器件的自動(dòng)化貼裝工藝。這種立體貼裝的工藝主要是針對(duì)立體電路技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。
圖:耳機(jī)線控組件貼片前(下)和貼片后對(duì)比
作者簡(jiǎn)介:周紅衛(wèi)先生,深圳市微航磁電技術(shù)有限公司CTO,長(zhǎng)期從事手機(jī)中新材料、新工藝創(chuàng)新應(yīng)用和制造集成。
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