• 5G手機天線縱橫談

    發布時間:2019-07-23 19:38:51

          一、5G是什么?


          在3G、4G和5G等名詞中,G是英文單詞“generation”(第x代)的縮寫。因此,5G就是第五代移動通信技術。第一代是模擬技術;第二代實現了數字化語音通信;第三代是人們熟知的4G技術,以多媒體通信為特征;第四代是正運營的4G技術,其通信速率大大提高,標志著進入無線寬帶時代。但是,4G還不是寬帶無線在線相連接系統,僅僅解決了無線互聯有和無的問題,以具體應用為例,還遠遠滿足不了正迅猛發展的無線虛擬技術的大數據實施交互需求,也滿足不了無人駕駛的在線數據服務。

          為此,5G應運而生,5G的用戶核心體驗指標是:其峰值速率將增長數十倍,從4G的100Mb/s提高到幾十Gb/s。也就是說,1秒鐘可以下載10余部高清電影,可支持的用戶連接數增長到100萬用戶/平方公里,可以更好地滿足物聯網這樣的海量接入場景。同時,端到端延時將從4G的十幾毫秒減少到5G的幾毫秒。至于詳細的技術規范,太復雜,本文不展開談。


          二、5G什么時候商用


          2017年,中國移動選取4-5個城市,每個城市大約建7個站點作系統驗證,形成商用樣機;

          2018年,在數個城市,每個城市建設20個站點進行規模試驗,形成端對端商用產品和預商用網絡;

          2019年,繼續擴大試驗網規模,城市試驗數量增加,基站增加;

          2020年,形成萬用戶規模,商用規模開始部署。


          三、5G重點和網絡射頻部分簡介


          1、基站和終端

          5G網絡是一個密集分布基站網絡,基站分布密度比前幾代移動系統都高。

          其中,基站移動終端之間采用28Ghz的毫米波頻段通訊。基站天線系統采用相控陣天線體制。波束在垂直和水平兩個方向交叉極化,以實現更高的用戶密度和增加系統用戶容量。

          5G終端具備自選基站能力,可以根據基站誤碼率挑選誤碼率低的基站和信道通訊。

          實現以上這些功能,依賴陣列天線技術,基站和終端都用到了毫米波相控陣天線。終端中天線陣列為nXn點陣;

          2、回顧下終端中天線技術

          手機中布滿了天線,從GPS、藍牙、wifi、2G、3G、4G等頻段。頻率越低,尺寸越大。毫米波,顧名思義,其波長尺度在10mm內了,照波長四分之一計算,約2.5mm的點陣,就是組成有規則間距的陣列。

    4G的天線一般布置在手機上下端部和側面,采用了LDS(立體電路的一種制造工藝,激光在3D曲面塑膠上選擇性沉積金屬工藝)和FPC(柔性線路板)配合側面金屬邊框來實現終端天線功能:

    金屬機身手機中,外露的中框一段金屬與手機內FPC組成了天線:

          2017年玻璃機身手機開始流行,這類手機擬用到的工藝和材質依然是FPC和LDS工藝,也有把天線制造在玻璃殼體和玻璃支架上的:

    0.1-0.2mm厚度3D的玻璃支架上制造邊框觸摸和天線(深圳微航提供制造)


          3、5G的手機天線特點及其工藝


          (1)5G終端天線,對周邊金屬很敏感, 

    由于毫米波之波長很短,來自金屬的干擾是非常厲害的,印刷線路板(即PCB板),需要其與有金屬的物體之間需要保持1.5mm的凈空。

          (2)5G天線是垂直與水平天線交互的點陣

          這種垂直和水平交互的天線,對應垂直和水平兩個極化方向的信號收發。

          (3)5G天線對安裝位置有特殊要求

          由于5G終端天線是相控陣體系,其天線單元需要合成形成聚焦波束,因此需要規則的位置進行擺放,天線不能被金屬遮擋,適合3D空間掃描,規則的空間。

    5G終端,被人手和人體遮擋,其信號都會開始尋找最優誤碼率頻段,形象的說,手機像一個長了眼睛的小寵物,一旦遮擋他,他即刻眼球四處轉動尋找最優信道。我們把5G手機這一動作叫手機尋優,因此,設計終端時候,安裝天線位置一開始就要合適,使其好尋優。目前手機終端中,最適合5G天線位置是兩端,尤其是上端部(聽筒位置附近),其他4G內天線都要給其讓路,也就是說有優選位置權,其他天線移到他處。

          (4)5G天線是一個含芯片的模組

          天線點陣,16個小的米粒大小的天線,不可能用16根屏蔽線引出信號到射頻芯片了,需要就地解決與芯片連接難題。引出天線與點陣天線做成一體,一般一個芯片管理四個點陣。

          天線模組輸出不是射頻信號,可以用接插件引出端子到手機主板上。

          (5)5G天線用什么材料制造?

          這涉及到模組封裝問題,

          ●柔性基材

          前文中提到的4G天線制造材料中FPC工藝,涉及到PI膜(聚酰亞胺)是不能用于10G頻率以上系統,因為,材料有一個叫損耗的指標,聚酰亞胺基材,在10Ghz以上損耗很厲害了。

          微航推出一種基材厚度在6微米,增材制造技術沉積金屬的工藝,去掉了基材與銅箔之間膠層,可用于毫米波段天線制造。

          ●剛性基材

          塑膠、和線路板材質

          既要3D封裝,又要焊接電子元件,又要毫米波段電磁損耗低,這樣材料不多,

          剛性線路板都沒有用于4G天線,也不會用于5G。若采用適合毫米波段的印制電路板材料,把天線和電路全制造的這種印制板上,

    價格是很貴的,且天線是平面構型,性能會大打折扣,若把天線部分拆出來用高頻印制板制造,則失去了3D性能(手機四個角落弧形,天線需要共形設計)。

    毫米波段,對手機天線位置很敏感,差之毫厘,失之千里(指手機入網指標)。

          塑膠中毫米波段低損耗的材質是液晶聚合物(LCP)和PPS材質,但都需要再進一步改性成LDS基材。微航磁電公司未雨綢繆,推出這種天線模組制造全套制造流程。也可以采用改性PP材質支架+激光點焊芯片工藝,這是一種低成本材料體系,利益PP材質低損耗,用激光點焊回避了其不耐高溫焊接缺陷。激光點焊(配合特殊焊接錫膏),是一種在低溫基材上焊接電子元件技術。其實5G基站天線都可以采用此種工藝大幅度降低材料成本。4G的室內分布基站,目前都采用塑膠材質代替微波電路板

          4G室內分布基站,運營商在使用中,微航代工制造天線組件

          5G時代,基站更多,采用先進材料和制造工藝降低成本非常重要。

          總之4G時代成長起來的LDS工藝還將大放異彩,只是換了材料而已。


          (5)5G終端需要4G/3G天線嗎?

          需要, 至少5G終端開通初期, 因此手機中天線林立。




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