科普一分钟 |5G让我们的手机变丑？天线的锅

　　【PConline 杂谈】有一种说法是，每一款最终出现在我们面前的智能机都是妥协的产物。当然，换个角度我们也可以用平衡这个词。现阶段来说，平衡主要作用于设计与功能。更强的拍摄系统与突出的摄像头，更轻薄的机身与更持久的续航，现阶段都是不可解决的矛盾。

　　如何取舍，便是平衡的艺术。

　　显然，消费者与厂商对智能机的愿景总是会领先于实际，由此引发的关于平衡的问题，不仅会存在于智能机发展的过去，存在于现在，更会存在于未来。

5G时代的舍与得

　　美国夏威夷时间12月4日-6日，高通于夏威夷正式召开第三届骁龙技术峰会。虽然有骁龙855处理器的初登场，但我们都知道，本次峰会的主题，是5G。

　　5G时代，真的快要来了。

　　此前，华为与三星均预计将在2020年实现5G网络的商用。国内方面，包括中国移动、联通、电信在内的三大运营商均表示将在2020年实现5G网络的正式商用。而韩国运营商则更为激进，已经于近日正式推出5G网络运营服务。据悉，韩国的5G网络将首先提供给企业使用。

　　5G更高的传输速率与更低的延迟将改变人们的生活方式，为物联网的普及奠定基础，打开AI生活的大门。看起来，5G时代尽是好事。然而你是否想过，5G时代的智能机，也许会比现在丑得多？

　　没错，这又是一个设计与功能的取舍问题。而这一次的主角，是天线。

天线设计的难点

　　说起天线，想必大家都不陌生，但说起智能机中的天线，也许很多人就不知道了。如今智能机中的天线，是机身内部的一根根小金属片。移动数据需要天线，蓝牙功能需要天线、GPS也需要天线。只要涉及到信号传输，就需要天线。

　　不同天线的长度并不相同。这主要涉及到信号的频段与波长。频段越高，波长越短，天线也就越短（大概为波长的1/4）。

　　那么，问题也就来了。

　　就国内来说，5G一共分有低频与高频两个频段。低频频段为3~5Ghz，和现在4G频段相差不多，天线可以沿用当下的设计。但是，为了满足5G的传输速率要求，就必须提高天线的数量。

　　MIMO（多输入多输出）多天线技术就此登场。

　　MIMO技术理解起来也很简单，1x1 MIMO就是1根发射天线与1根接收天线，4x4 MIMO就是4根发射天线与4根接收天线。相比来说，4x4 MIMO在传输速率上肯定是遥遥领先于1x1 MIMO的。毕竟，四车道肯定比一车道运输量更大。

4x4 MIMO示意图

　　低频频段使用MIMO多天线技术就能够解决问题，但在高频频段却远远不行。如上文所说，频率越高，波长越短。在5G高频频段，通信波长只有10mm左右（毫米波）。物理学告诉我们，波长越短，传输衰减就越大。

　　5G创业公司Movindi的研发人员表示，手指、人脸在5G毫米波天线前会产生“临近效应”。不仅会导致信号下降，甚至可能会直接屏蔽信号，死亡之握的概率大大提升。

　　但是，更大的挑战还在后面。

　　如今流行的全面屏设计将会成为5G时代天线设计的最大挑战。同许多人想的并不一样，全面屏设计中最难的并不是屏幕设计，而是天线设计。一般来说，手机中的天线是360°全方位辐射的，因此在其附近的一定范围内是要避免出现金属的，这个范围就是“净空区”。

　　过往天线的净空区往往放在“下巴”上。然而，全面屏设计大大压缩了“下巴”的面积，一整块具有金属材质的屏幕完全遮住了手机的正面，这就对天线的设计提出了非常非常高的要求。

　　具体来说，由于5G毫米波非常短，来自金属的干扰会更加严重，至少需要1.5mm的净空区。而5G手机被人手和人脸遮挡时，信号会开始寻找最低误码率频段。所以在设计5G终端时候，天线安装的位置一开始就要合适，使其易于寻找最合适的频段。

　　除了接收性能外，还需考虑空间覆盖度与散热的问题。越广的空间覆盖度越有利于用户的无线体验，但越广的空间覆盖度，往往要牺牲手机外观设计。此外，为防止散热不当对天线系统造成损坏，在整机设计时也要注重材质的把控。

　　综合来看，由5G天线设计带来的挑战，很可能会迫使厂商抛弃掉金属材质后盖，更改机身的形状和尺寸。如果你对此没有直观的印象，那么看看moto Z3最新的5G模块，就会有答案了。

解决方法-天线阵列

　　高难度天线设计并不意味着5G时代的智能机一定会变丑。可以说，5G时代智能机市场可能会迎来新一轮洗牌，真正具有实力的厂商将会脱颖而出，继续为消费者带来颜值与功能俱佳的产品。

　　事实上，5G天线设计困难重重，但不是没有解决方案。目前，业内普遍看好天线阵列（多天线单元）设计，即将许多相同的单天线按照一定的规律排列组成的天线系统。

　　当下5G毫米波天线阵列一般是基于相控阵的方式，具体实现方式又可以分为AoB （Antenna on Board，即天线阵列位于系统主板上)、AiP （Antenna in Package，即天线阵列位于芯片的封装内)，与AiM （Antenna in Module，即天线阵列与RFIC形成一模组)三种。目前AiM方式为业界普遍接受。

贴片天线（patch antenna）

　　AiM的毫米波天线阵列为了实现更广的空间覆盖，一般会以辐射波束互补（如broadside radiation，即宽边辐射，与end-fire radiation，即端射）的天线种类（如patch antenna，即贴片天线，与Quasi-Yagi antenna，即准八木天线）进行搭配设计，并基于天线馈点的适当设计，以达到双极化（垂直与水平极化）的覆盖，从而大幅改善毫米波信号的范围和覆盖率。

准八木天线（Quasi-Yagi antenna）

　　同时，通过在不同位置设置多个毫米波天线阵列，如多个AiM模组，适时切换到其他波束，以避免智能机被外物覆盖（如手）时，可能会出现的单个阵列性能受影响的情况。

　　多天线阵列的切换，还可能会带来另一个问题。性能较弱的天线阵列切换到性能较强的天线阵列的间隙，可能会漏失大量数据，而造成用户连接体验的显著下降。基于此，是否切换天线阵列，如何缩短切换天线阵列的时间，需要硬件工程师与软件工程师协同合作，更能考验厂商的功底。

高通QTM052毫米波天线模组

　　另外，小尺寸相控天线阵设计，有助于减少5G天线对内部空间和天线净空区的需求，从而实现更加紧凑的机身设计和更高占比的屏幕。高通于今年10月发布的QTM052毫米波天线模组在上代的基础上缩小25%，进一步减少了5G天线对手机空间的占用。

　　值得欣慰的是，在今年12月4日举行的第三届骁龙技术峰会上，高通展出的5G原型机相比先前的技术展示机型已经有了相当大的进步，从外形来看，它已经和当下主流的全面屏手机没有太大的差异，等到5G正式落地还有一段时间，这令人对5G时代的手机设计又多了一分期待。

总结

　　5G时代是全新的时代，不仅是天线设计，基于5G的网络布局，基于5G的生态链，基于5G的应用场景，均对智能机厂商提出了新的挑战。好在，挑战也是机遇。5G时代，真正具有能力的厂商必将脱颖而出，在新时代，实现新的飞跃。