【果斷收藏】5G手機天線技術(shù)縱橫談

2017-02-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)工信部、中國IMT-2020(5G)推進組的工作部署、三大運營商的5G商用計劃,我國將于2017年展開5G網(wǎng)絡第二階段測試,并預計于當年年底完成。5G真的要來了。相比4G,那么手機中天線有什么不同?

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5G是什么?

通訊中的5G(概念),即第五代移動電話行動通信標準,也稱第五代移動通信技術(shù)。5G(第五代移動通信技術(shù))是目前正在推進的4G(第四代移動通信技術(shù))之后的延伸。

5G與4G、3G、2G不同,5G并不是一個單一的無線接入技術(shù),也不是幾個全新的無線接入技術(shù),而是多種新型無線接入技術(shù)和現(xiàn)有無線接入技術(shù)(4G后向演進技術(shù))集成后的解決方案總稱。從某種程度上講,5G是一個真正意義上的融合網(wǎng)絡,是傳輸速率可以達到10Gbps的移動通信技術(shù)。

5G最顯著的特點是高速,按規(guī)劃速率會高達10~50Gbps,人均月流量大約有36TB。4G的發(fā)展最高可以達到峰值1G的上網(wǎng)速率,而5G則可以最高達到10G。這意味著,在5G網(wǎng)絡環(huán)境下,一部超高清畫質(zhì)的電影1秒內(nèi)就可以下載完成。與4G網(wǎng)絡相比,5G網(wǎng)絡不僅傳輸速率更高,而且在傳輸中呈現(xiàn)出低時延、高可靠、低功耗的特點,低功耗能更好地支持物聯(lián)網(wǎng)應用。

二

5G商用時間

5G何時能商用?2020年!

華為在2013年11月宣布,將在未來的5年投入6億美元用于5G研發(fā),預計首個5G商用網(wǎng)絡將于2020年面世。

三星對于5G網(wǎng)絡商用的預期也是2020年。2013年2月,歐盟宣布,將撥款5000萬歐元,加快5G移動技術(shù)的發(fā)展,計劃到2020年推出成熟的標準。而日本運營商NTT DoCoMo 2013年10月表示,考慮在2020年東京奧運會前商用5G。

無線通信技術(shù)通常每10年更新一代,2000年3G開始成熟并商用,2010年4G開始成熟并商用,現(xiàn)在研究5G,2020年成熟應該是符合規(guī)律的預期。

三

5G射頻部分

5G重點和網(wǎng)絡射頻部分簡介

1、基站和終端

5G網(wǎng)絡是一個密集分布基站網(wǎng)絡,基站分布密度比前幾代移動系統(tǒng)都高。

其中,基站移動終端之間采用28Ghz的毫米波頻段通訊。基站天線系統(tǒng)采用相控陣天線體制。波束在垂直和水平兩個方向交叉極化,以實現(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nXn點陣;

2、回顧下終端中天線技術(shù)

手機中布滿了天線,從GPS、藍牙、wifi、2G、3G、4G等頻段。頻率越低,尺寸越大。毫米波,顧名思義,其波長尺度在10mm內(nèi)了,照波長四分之一計算,約2.5mm的點陣,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)面金屬邊框來實現(xiàn)終端天線功能:

金屬機身手機中,外露的中框一段金屬與手機內(nèi)FPC組成了天線:

2017年玻璃機身手機開始流行,這類手機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:

0.1-0.2mm厚度3D的玻璃支架上制造邊框觸摸和天線

3、5G的手機天線特點及其工藝

(1)5G終端天線,對周邊金屬很敏感,

由于毫米波之波長很短,來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陣

這種垂直和水平交互的天線,對應垂直和水平兩個極化方向的信號收發(fā)。

(3)5G天線對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,其信號都會開始尋找最優(yōu)誤碼率頻段,形象的說,手機像一個長了眼睛的小寵物,一旦遮擋他,他即刻眼球四處轉(zhuǎn)動尋找最優(yōu)信道。我們把5G手機這一動作叫手機尋優(yōu),因此,設計終端時候,安裝天線位置一開始就要合適,使其好尋優(yōu)。目前手機終端中,最適合5G天線位置是兩端,尤其是上端部(聽筒位置附近),其他4G內(nèi)天線都要給其讓路,也就是說有優(yōu)選位置權(quán),其他天線移到他處。

(4)5G天線是一個含芯片的模組

天線點陣,16個小的米粒大小的天線,不可能用16根屏蔽線引出信號到射頻芯片了,需要就地解決與芯片連接難題。引出天線與點陣天線做成一體,一般一個芯片管理四個點陣。

天線模組輸出不是射頻信號,可以用接插件引出端子到手機主板上。

(5)5G天線用什么材料制造?

這涉及到模組封裝問題,

●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),因為,材料有一個叫損耗的指標,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,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,

剛性線路板都沒有用于4G天線,也不會用于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:

價格是很貴的,且天線是平面構(gòu)型,性能會大打折扣,若把天線部分拆出來用高頻印制板制造,則失去了3D性能(手機四個角落弧形,天線需要共形設計)。

毫米波段,對手機天線位置很敏感,差之毫厘,失之千里(指手機入網(wǎng)指標)。

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,用激光點焊回避了其不耐高溫焊接缺陷。激光點焊(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,見下圖: