移動終端未來天線設(shè)計概述

編者按

移動終端的天線設(shè)計技術(shù)對移動終端的工業(yè)設(shè)計、電池容量、用戶體驗、市場準入、通信能力等方面具有重大影響。未來的移動終端的天線設(shè)計，特別是智能手機，因設(shè)備空間有限、天線數(shù)量眾多以及設(shè)計要求和規(guī)格非常嚴格等，正面臨著巨大挑戰(zhàn)。

中國工程院院刊《Engineering》2022年第4期刊發(fā)華為技術(shù)有限公司首席終端天線專家王漢陽的《移動終端未來天線設(shè)計綜述》一文。文章對未來移動終端的天線設(shè)計進行了概述，介紹了移動終端天線設(shè)計的環(huán)境與要求，列舉了5G智能手機所需的天線類型，總結(jié)了移動終端天線的概念。文章指出，用于單饋和雙饋天線的CM/DM天線概念為寬頻、多頻和5G NR MIMO天線的設(shè)計提供了全面和系統(tǒng)的解決方案，并將在未來移動終端的天線設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

一、引言

多年來，移動終端的天線設(shè)計已經(jīng)變得越來越困難。這主要是由于這類設(shè)備的空間有限，無法容納具有寬頻帶和多頻帶要求的多根天線。即將到來的第五代（5G）無線通信使這個問題對移動終端天線設(shè)計者來說更具挑戰(zhàn)性，因為它需要在低于6 GHz的頻段上使用大量的多輸入多輸出（MIMO）天線，以及在毫米波頻段上使用兩個或三個天線封裝（AiP）模塊。在這些天線設(shè)計中，天線必須小型化、布局緊湊、低剖面、重量輕，同時保持寬帶和多頻段性能。此外，對于MIMO天線的設(shè)計，雖然天線放置非常緊密，但天線之間必須保持高度隔離，即使是在同一頻段內(nèi)也是如此。本文對未來移動終端的天線設(shè)計進行了概述。

二、天線設(shè)計環(huán)境和要求

移動終端通常包括智能手機、筆記本電腦、平板電腦、移動無線保真（MiFi）、數(shù)據(jù)卡、智能手表、藍牙（BT）耳機、路由器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能屏幕、用戶駐地設(shè)備（CPE）、增強現(xiàn)實（AR）設(shè)備、虛擬現(xiàn)實（VR）設(shè)備和汽車。移動終端的天線設(shè)計技術(shù)對移動終端的工業(yè)設(shè)計（ID）、架構(gòu)、電池容量、通話和待機時間、用戶體驗、市場準入、通信能力和法律要求有非常大的影響。人們普遍認為，由于智能手機的時尚ID、高度集成的架構(gòu)以及與人體的交互，使得智能手機天線的設(shè)計成為天線工程師面臨的最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。圖1顯示了一個簡化的智能手機天線設(shè)計環(huán)境，其包括一個金屬框架、一個印刷電路板（PCB）/顯示金屬面板、一個電池以及一些組件。這些組件包括一個通用串行總線（USB接口）、一個用戶識別模塊（SIM）卡座、一個音頻視頻（AV）插孔、一個電源鍵和一個音量鍵。金屬框架和PCB/顯示器金屬面板之間的間隙通常小于1.0 mm，以實現(xiàn)大的屏占比。在金屬框架和PCB/顯示器金屬面板之間有許多連接點，以便為天線建立接地點。金屬框架可以被切割成一些開口槽，使天線輻射器在一側(cè)形成短路，在另一側(cè)形成開路，以便將天線尺寸從半波長減少到四分之一波長，提高天線帶寬和效率。

對于5G智能手機來說，所需的天線為：

多頻段主天線：長期演進（LTE）/新無線電（NR）（698~960 MHz和1710~2690 MHz）；

多頻段分集天線：LTE/NR（698~960 MHz和1710~2690 MHz）；

4×4 MIMO天線：LTE/NR（1710~2690 MHz）；

4×4 MIMO天線：NR（3300~5000 MHz）；

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）天線：GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou（1176 MHz和1575~1609 MHz）；

三波段2×2 MIMO天線：無線保真（WiFi）（2400~2484 MHz、5150~5350 MHz和5725~5825 MHz）；

三個雙頻超寬帶（UWB）天線：UWB（6240~6740 MHz和7750~8250 MHz）；

兩個或三個毫米波AiP模塊：AiP（24.25~29.50 MHz和37.00~43.50 GHz）；

近場通信（NFC）天線：NFC（13.56 MHz）。

圖1. 智能手機的簡化天線設(shè)計環(huán)境。PCB：印刷電路板；SIM：用戶識別模塊；USB：通用串行總線；AV：音頻視頻。

天線總數(shù)為15~20根，如果實施載波聚合（CA）/E-UTRAN新無線雙路連接（ENDC）和8×8 MIMO，天線總數(shù)還可以進一步增加到25~30根。除了需要大量的天線外，所有的天線都必須符合相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，其中包括帶寬、自由空間的效率、手握和頭旁的效率、天線之間的隔離、功率譜密度（PSD）和（人體）特別吸收率（SAR）。由于金屬框架的金屬尺寸和離地位置，其通常被作為大多數(shù)天線的最佳輻射器，特別是對于中低頻段的LTE/NR主天線和分集天線來說。地面天線，如平面倒F天線（PIFA）、貼片和毫米波AiP模塊，可以放置在PCB/顯示器金屬面板上方或電池蓋的背面；但是，這些天線的工作頻率一般需要高于3.0 GHz才能保證良好的性能，因為這些天線的高度通常不超過1.0 mm。此外，光學透明的天線可以放在移動終端的顯示屏上，以減少人體對天線性能的影響，提高天線輻射模式的覆蓋率。

三、移動終端天線的概念

如圖2所示，傳統(tǒng)的移動終端天線概念可分為：①倒F天線（IFA）/PIFA；②單極天線；③環(huán)形天線；④復(fù)合右手和左手（CRLH）啟發(fā)式天線；⑤單極槽天線。這些天線的工作原理在參考文獻[7?8]中都有詳細的記載。除了傳統(tǒng)的概念外，可重構(gòu)天線——主要是頻率可重構(gòu)天線——已被廣泛用于移動終端天線設(shè)計，以擴大其阻抗帶寬。具有模式和偏振可重構(gòu)功能的天線在MIMO應(yīng)用中也變得越來越引人注意。

圖2. 傳統(tǒng)的移動終端天線的概念。IFA：倒F天線；PIFA：平面倒F天線；CRLH：復(fù)合右手和左手。

與基站、機載雷達和許多其他類型的通信設(shè)備的天線設(shè)計不同，很少有系統(tǒng)的理論和復(fù)雜的方法來設(shè)計移動終端的天線，即使這項任務(wù)變得越來越復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性，特別是對于未來的移動終端。原因是廣泛使用的移動終端天線作為共模（CM）運行，具體如圖2所示。這些共模天線主要通過其“環(huán)境”進行輻射，即直接和間接連接到天線的金屬部件，如PCB和整個移動終端內(nèi)的所有金屬部件。與其他任何與主導(dǎo)差分模式（DM）相關(guān)的天線相比，在移動終端天線設(shè)計中利用CM的主要優(yōu)點包括更小的天線尺寸、更大的輻射孔徑、更寬的阻抗帶寬和更高的輻射效率。其缺點是難以控制天線輻射模式。但是，由于移動終端的方向可以是任意的，因此在移動終端天線設(shè)計中，天線輻射效率比天線輻射模式更關(guān)鍵。這反映在所需的空中（OTA）性能上，包括總輻射功率（TRP）和總輻射靈敏度（TRS），它們分別由無線電頻率（RF）前端的傳導(dǎo)功率和傳導(dǎo)靈敏度與天線輻射效率共同定義。由于引入了CM和“環(huán)境”輻射，移動終端天線設(shè)計的復(fù)雜性和難度都顯著增加。

如第2節(jié)所述，對于智能手機的天線設(shè)計，必須在一個非常有限的空間內(nèi)安排非常多的天線。這個問題的傳統(tǒng)解決方案是采用雙工器和多工器來設(shè)計覆蓋寬頻帶和多頻帶的單饋共輻射器天線。除了上述天線概念外，最近還提出了用于設(shè)計移動終端的單饋寬頻和多頻帶天線的CM和DM概念。所提出的天線最突出的特點之一是在天線設(shè)計中同時采用CM和DM。這個提出的天線概念定義了線CM/DM和槽CM/DM單元天線，其中天線單元必須以不對稱的方式放置或饋電，以實現(xiàn)寬頻帶或多頻帶的功能。與移動終端天線的所有其他天線概念相比，線型DM和槽型DM，即半波長偶極子模式和半波長槽型已被引入，以創(chuàng)造額外的共振，從而增加帶寬。更高階的模式也可以被激發(fā)以進一步提高天線的帶寬。由于所提出的線型CM/DM和槽型CM/DM的設(shè)計方法比傳統(tǒng)方法更加嚴格和系統(tǒng)，預(yù)計它將對未來移動終端的天線設(shè)計產(chǎn)生重大影響并得到廣泛的應(yīng)用。

對于一個典型的5G NR MIMO天線設(shè)計，需要兩根工作在相同頻段的天線，同時，盡管由于設(shè)計環(huán)境非常擁擠，通常天線的位置很近，但兩根天線之間必須滿足高隔離度。顯然，這種設(shè)計困難不能通過利用濾波器、雙工器和復(fù)用器來規(guī)避。為了節(jié)省天線體積，并在有限的空間內(nèi)放置更多的天線，研究人員提出了將兩根天線設(shè)計成一對的概念，并通過利用互補電流分布的原理獲得良好的隔離效果。為了進一步解決這個問題，研究人員提出了一種正交模式設(shè)計方法。天線對中的兩根天線在對稱位置時具有正交極化，兩根天線之間實現(xiàn)了良好的隔離。另一個主要步驟是在設(shè)計具有相同頻段和高隔離度的天線對時，明確定義了CM/DM的概念，盡管正交極化的特征在某種程度上與參考文獻[13]中相似。但是，在上述提到的所有天線對中，兩根天線要么是線型，要么是金屬片型。參考文獻[16]中提出了一個更全面和對稱的概念。在這個天線概念中，定義了四個單元天線：CM線、DM線、CM槽和DM槽。因此，有六對由四個單元天線產(chǎn)生的配對組合。在這六對組合天線中，有四對是具有固有高隔離特性的天線對，這要歸功于它們的正交極化，而另外兩對天線中，如果將天線對中的一根天線旋轉(zhuǎn)90°，也能獲得高隔離度。這個提出的天線設(shè)計概念大大增加了設(shè)計5G NR MIMO天線的自由度，即從一自由度增加到六自由度。在參考文獻[17?18]中可以找到六對組合天線的兩個設(shè)計實例。

常用的UWB天線是具有柔性基底的天線，它被放置在PCB/顯示器金屬面板之上，以低損耗液晶聚合物（LCP）或改性聚酰亞胺（MPI）作為天線基底。UWB天線的設(shè)計通常是一個雙頻PIFA或偏移饋電雙頻貼片天線。由于其工作頻率在6000 MHz以上，0.3~0.4 mm的天線高度足以覆蓋所需的頻段。毫米波AiP模塊的設(shè)計與傳統(tǒng)相控陣的設(shè)計類似。通常，一個AiP模塊是一個貼片天線陣列或磁電（ME）偶極子陣列，具有正交雙極化的1×4或2×2天線元件。這種天線陣列設(shè)計的挑戰(zhàn)在于滿足寬頻、多頻、高增益、寬掃描角度、小尺寸和低高度的嚴格要求。智能手機中NFC天線的傳統(tǒng)解決方案是與手機天線共用一段金屬框架輻射器，使用混合分布式/塊狀電感作為低通濾波器。其他NFC天線的解決方案包括帶有線圈的鐵氧體片，或與移動終端的金屬罩結(jié)合的線圈。

四、結(jié)論

未來的移動終端，特別是智能手機的天線設(shè)計正面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因為這些設(shè)備的空間非常有限，天線數(shù)量眾多，而且設(shè)計要求和規(guī)格非常嚴格。用于單饋和雙饋天線的CM/DM天線概念為寬頻、多頻和5G NR MIMO天線的設(shè)計提供了全面和系統(tǒng)的解決方案。這些概念將在未來移動終端的天線設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅