5G手機天線縱橫談

2016-12-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:我國5G推進(jìn)組6月1日在第一屆全球5G大會上正式發(fā)布了《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計》白皮書,華為公司近期在5G系統(tǒng)中提交的短碼方案正式成為標(biāo)準(zhǔn)之一,這體現(xiàn)了我國5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的最新成果,這意味著我國從5G概念的研究已經(jīng)進(jìn)入實質(zhì)推進(jìn)階段——5G真的要來了。相比4G,手機中天線有什么不同?本文來談?wù)勚?/span>

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(shù)。第一代是模擬技術(shù);第二代實現(xiàn)了數(shù)字化語音通信;第三代是人們熟知的4G技術(shù),以多媒體通信為特征;第四代是正運營的4G技術(shù),其通信速率大大提高,標(biāo)志著進(jìn)入無線寬帶時代。但是,4G還不是寬帶無線在線相連接系統(tǒng),僅僅解決了無線互聯(lián)有和無的問題,以具體應(yīng)用為例,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了正迅猛發(fā)展的無線虛擬技術(shù)的大數(shù)據(jù)實施交互需求,也滿足不了無人駕駛的在線數(shù)據(jù)服務(wù)。

為此,5G應(yīng)運而生,5G的用戶核心體驗指標(biāo)是:其峰值速率將增長數(shù)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(shù)增長到100萬用戶/平方公里,可以更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)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(xì)的技術(shù)規(guī)范,太復(fù)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(tǒng)驗證,形成商用樣機;

2018年,在數(shù)個城市,每個城市建設(shè)20個站點進(jìn)行規(guī)模試驗,形成端對端商用產(chǎn)品和預(yù)商用網(wǎng)絡(luò);

2019年,繼續(xù)擴大試驗網(wǎng)規(guī)模,城市試驗數(shù)量增加,基站增加;

2020年,形成萬用戶規(guī)模,商用規(guī)模開始部署。

三、5G重點和網(wǎng)絡(luò)射頻部分簡介

1、基站和終端

5G網(wǎng)絡(luò)是一個密集分布基站網(wǎng)絡(luò),基站分布密度比前幾代移動系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)更高的用戶密度和增加系統(tǒng)用戶容量。

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

實現(xiàn)以上這些功能,依賴陣列天線技術(shù),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(shù)

手機中布滿了天線,從GPS、藍(lán)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(nèi)了,照波長四分之一計算,約2.5mm的點陣,就是組成有規(guī)則間距的陣列。

4G的天線一般布置在手機上下端部和側(cè)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(cè)面金屬邊框來實現(xiàn)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(nèi)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(zhì)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(yīng)垂直和水平兩個極化方向的信號收發(fā)。

(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(guī)則的位置進(jìn)行擺放,天線不能被金屬遮擋,適合3D空間掃描,規(guī)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(yōu)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(zhuǎn)動尋找最優(yōu)信道。我們把5G手機這一動作叫手機尋優(yōu),因此,設(shè)計終端時候,安裝天線位置一開始就要合適,使其好尋優(yōu)。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(nèi)天線都要給其讓路,也就是說有優(yōu)選位置權(quán),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(tǒng),因為,材料有一個叫損耗的指標(biāo),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(shù)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(zhì)

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,如下圖:

則,價格是很貴的,且天線是平面構(gòu)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(shè)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(wǎng)指標(biāo))。

塑膠中毫米波段低損耗的材質(zhì)是液晶聚合物(LCP)和PPS材質(zhì),但都需要再進(jìn)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(zhì)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(zhì)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(shù)。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(nèi)分布基站,目前都采用塑膠材質(zhì)代替微波電路板,見下圖: