【果断收藏】5G手机天线技术纵横谈

2017-02-26 by:CAE仿真在线来源:互联网

根据工信部、中国IMT-2020(5G)推进组的工作部署、三大运营商的5G商用计划,我国将于2017年展开5G网络第二阶段测试,并预计于当年年底完成。5G真的要来了。相比4G,那么手机中天线有什么不同?

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5G是什么?

通讯中的5G(概念),即第五代移动电话行动通信标准,也称第五代移动通信技术。5G(第五代移动通信技术)是目前正在推进的4G(第四代移动通信技术)之后的延伸。

5G与4G、3G、2G不同,5G并不是一个单一的无线接入技术,也不是几个全新的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术(4G后向演进技术)集成后的解决方案总称。从某种程度上讲,5G是一个真正意义上的融合网络,是传输速率可以达到10Gbps的移动通信技术。

5G最显著的特点是高速,按规划速率会高达10~50Gbps,人均月流量大约有36TB。4G的发展最高可以达到峰值1G的上网速率,而5G则可以最高达到10G。这意味着,在5G网络环境下,一部超高清画质的电影1秒内就可以下载完成。与4G网络相比,5G网络不仅传输速率更高,而且在传输中呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点,低功耗能更好地支持物联网应用。

二

5G商用时间

5G何时能商用?2020年!

华为在2013年11月宣布,将在未来的5年投入6亿美元用于5G研发,预计首个5G商用网络将于2020年面世。

三星对于5G网络商用的预期也是2020年。2013年2月,欧盟宣布,将拨款5000万欧元,加快5G移动技术的发展,计划到2020年推出成熟的标准。而日本运营商NTT DoCoMo 2013年10月表示,考虑在2020年东京奥运会前商用5G。

无线通信技术通常每10年更新一代,2000年3G开始成熟并商用,2010年4G开始成熟并商用,现在研究5G,2020年成熟应该是符合规律的预期。

三

5G射频部分

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

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:

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: