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《芯片揭秘》第155期 | VIVO首席天线专家黄奂衢博士揭秘5G手机天线设计发展趋势


《芯片揭秘》主持人、茄子烩CEO 曹幻实(右)

对话 VIVO首席天线专家 黄奂衢博士(左) 

5G时代于今年已然到来,而回览自1G时期的大哥大到现今的5G手机,手机天线着实经历了巨幅的翻腾变化。

从1G到2G,只是调制方式的改变,即从模拟调制变成数字调制,对手机天线本身,并无本质的差异;自2G到4G,主要则是在通讯频段数量的增长,和天线数量的增长。而5G相较于4G,最主要的差别是体现在天线数与通讯频段数再次的增加,及通讯频率的拉高(尤其是毫米波段的引入)。而对于手机天线设计者而言,5G FR 1(非毫米波频段)的天线设计,可视为是基于4G天线设计的战术级演进(evolution),如前所述,其主要的驱动力是"量"(天线数与频段数)的增长;然而5G的FR 2(毫米波频段),相对于4G和5G FR 1天线设计,则是为战略级上质的升腾 (revolution)。

——VIVO首席天线专家 黄奂衢博士


黄奂衢博士

VIVO首席天线专家

台湾大学电信工程研究所电波组 (天线设计领域)博士

曾于美国加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 进行博士研究

现为国际天线学术期刊IEEE AWPL与MOTL审稿人

曾任职于多家全球智能机领军企业,如: HTC/ Nokia/ Huawei/ Apple等

迄今有近14年的高端手机与平板天线设计经验及40余篇海内外天线专利

《芯片揭秘》主持人曹幻实对话VIVO首席天线专家黄奂衢博士,精彩片段先睹为快。

本期对话主题

1. 从1G到5G,手机天线会有怎样的变化?

2. 为什么越来越多的手机使用LCP软板,5G时代这项技术会成为主流吗?

3. 各大手机厂商为什么愿意在天线研发上做这么多布局和投入?

4. 如何成为一名优秀的手机天线工程师?

本文由芯片揭秘采访内容整理

从1G到5G,手机天线会有怎样的变化?

5G手机

5G主要分成两个区块——FR 1 (FR: Frequency Range,即频率范围) 和FR 2。FR 1频段是非毫米波频段,其是在0.41 GHz至7.125 GHz的频段。FR 2则是毫米波段,而3GPP目前已编码频段的频率上下限范围是从24.25 GHz至40.0 GHz。故,5G的毫米波频段相对于4G以前,乃至于对5G FR 1频段,其频率皆为显著提升,而致使电磁行为截然不同;因此,手机的毫米波天线设计相对于4G与5G FR1的天线设计将会是战略级上质性跳跃的升华,而不只是战术级上量性增长的演进。

国际电信联盟(ITU)定义的5G三大需求场景

图片来源:ITU

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为什么越来越多的手机使用LCP软板,5G时代这项技术会成为主流吗?

5G时代,通信频率增高,天线数目增长,如果还用传统射频缆线的连接方式——基于天线单体与板子间连接,有几个显著的问题:

1、传统的射频缆线是圆柱体,其体积所占空间相对较大;

全世界第一部手机 Motorola DynaTAC 8000X

图片来源:网络

2、射频缆线跟天线之间过渡的连接机制(如焊点,或射频座+板上走线(trace)+弹片)会造成能量损耗;

3、且常规上,一条射频缆线一次只能连接一个天线,而在所需天线越多时(如5G),则需要的射频缆线数目也往往会增加,而此对于手机紧凑与极致的空间设计是明显相违的。

FPC形式的连接机制正可解决了这些劣势,因FPC平面式的传输结构,且可一次可以携载多条信号线 (signal traces),此外,FPC末端可以展开形成天线,无需过渡的连接机制。而FPC形式中的LCP软板更兼有低损耗、低吸湿性、好的折弯共形性,好的多层承载性,好的尺寸稳定性等,故LCP在5G时代可预见地,会较传统PI材质的FPC有更高的产品渗透率。然而,LCP软板也有如后的几个主要缺点:一是目前能提供LCP材料的厂商较少,较有独苗的风险;再者,且此些供应商的产能也较少;三是其制成相对比较复杂,良率较低,故而产出的成本也较高。针对上述LCP主要的三项缺点,故MPI (Modified PI),便因应而生(在常用长度下,MPI在FR1频段上于LCP插损表现相当接近,然MPI在FR2频段上的插损,则明显弱于LCP)。

lcp软板

图片来源:网络

各大手机厂商为什么愿意在天线研发上做这么多布局和投入?

手机厂商基本在硬件上是集成性的属性,然而有几项硬件的设计,则是大多数的手机厂商可以自主自研(in-house)进行与掌握的,如:外形设计、结构设计,以及天线设计。而手机厂商自主设计天线主要基于以下几点:

1、掌控性:只要有对应的调试与测试环境资源,手机厂商基本可不需依赖外部厂商,而可进行厂内(in-house)的天线设计。

2、机密性:天线,往往是与外形设计(包含外形尺寸、形状,及材质等)及结构设计是高度耦合联动的(除了外置天线时期),故天线设计隐含着高度关联到新产品外观的机密性,而外观往往正是新产品(尤其是手机)的重中之重。

3、及时性:在大多数的产品定义与研发前期,外形与结构设计常见地会频繁滚动,快速变更,与多样发散,以到手机更好的综合产品竞争力。若是转交给其他外部厂商进行跟进与设计,则响应时间往往较长,进而影响产品的评估与固化的及时性。

4、必要性:手机最基本最必要的功能就是无线通信,而天线是无线接收链路的第一关,也同时是发射链路的最后一关,天线在无线链路上身兼着第一也是最后的关键性角色,一如山海关,其是京师出塞的最后一关,也是关外进京的第一关。故,天线性能的优劣对于整机的无线性能至关重要。

5、重要性:天线在手机硬件部件中里面是最难被标准化也是最难被集成的,且如前所述,天线是可显著地影响整机的外观,内部架构与堆叠,及整体的系统性能。

智能手机的SiP规划示意图

图片来源:高通

 

如何成为一名优秀的手机天线工程师?

从事手机天线设计这条路,前途是非常光明,然而过程是非常艰辛的。而5G的种种无线通讯需求,与越来越极致的全面屏外观需求,对手机天线设计都再再提出了更严苛的要求,然而无线通讯的性能标准与用户体验度却没有也不会下降。但雨过则天晴,守得云开见月明。

优秀的天线工程师,需具备一定的物理观念与理论知识,且搭配实践经验,然而于此还只在天线设计的范畴,必须进一步了解系统行为,包括射频、EMC,甚至是结构设计(因个人认为天线工程师基本就是电气的结构工程师;且手机硬件设计往往是以结构设计为主体)及和天线相关软件的基本知识。而除了设计方面,好的天线工程师还需要知道怎么去量测,包含了实验室测试(lab tests)与外场测试(field tests),且必须全局地了解用户的使用场景与方式,以达到更佳的用户使用体验,因对于消费型产品,所谓的良好工程设计,就是能成就美好的用户体验。

高通(Qualcomm)5G毫米波天线射频模块

图片来源:网络

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本期话题提到如下专业名词:

LTE

LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)技术标准的长期演进,于2004年12月在3GPP多伦多TSG RAN#26会议上正式立项并启动。

LCP

LCP是英文Liquid Crystal Polymer 的缩写,在国内称之为液晶聚合物,是一种新型的高分子材料,在一定的加热状态下一般会变成液晶的形式,所以因此而得名,它的特性决定了LCP塑胶原料的用处。

FPC

柔性电路板(Flexible Printed Circuit 简称FPC)是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性,绝佳的可挠性印刷电路板。具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。

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这是一次创新变革,从产业人角度展望中国“芯”未来;

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