科普一分钟 |5G让我们的手机变丑?天线的锅

手机 木兮 2018-12-07 00:15

  【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。

5G

  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。

高通峰会

  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)。

频段分布

  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

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”。

iPhone XS Max

  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。

5G

  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。

5G

  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。

5G

  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。

天线阵列仿真

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。

5G
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
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。

5G

  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

  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。

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