5G手机天线纵横谈

2016-12-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要: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nXn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:

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优误码率频段,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,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印制板制造,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: