在刚结束的MWC 2019上，5G手机已然红遍巴塞罗那，成了当下最热门的话题。而对于每一台5G手机来说，其天线设计都至关重要。MIMO、载波聚合、波束赋形等5G新技术的应用，将会为手机天线的设计与制造带来一系列新挑战，而手机天线的变化又将反过来影响5G手机的整体设计。

新技术推动5G天线升级

天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

手机天线发展时间线

一般情况下手机天线长度一般为波长的1/4~1/2，因此传播频率越高，天线的长度越短;且对应于不同应用将会使用不同的天线。

目前，3GPP已经指定了5G NR支持的频段列表，主要分为Sub-6(低于6GHz频段)和毫米波(mmWave，30GHz-100GHz)这两大频率范围。

由于Sub-6与毫米波这些新频段的加入，5G手机也势必将引入新的天线。

不过Sub-6和毫米波通信由于本身的频率差别很大，在手机天线设计上会产生不同的影响。

现在美国、韩国已经为5G划分毫米波(mmWave)的高频频谱，中国三大运营商的5G低频(Sub-6)频段也已划分完成，但是中国对于毫米波频段划分还在征求意见阶段。

5G的主要通信技术有Massive MIMO、载波聚合、波束赋形等，配合这些技术，终端天线也将发生一系列的变化。例如，MIMO技术的应用将会明显增加天线数量。

MIMO技术简单解释如下：它是通过使用多个发射、多个接收天线，在单个无线信道上同时发送和接收多个数据流的技术，能用于提高移动设备带宽、增加数据吞吐。

5G手机中的多用户MIMO技术

MIMO的阶数代表可以发送或接收的独立信息流数量，它直接等同于所涉及天线的数量;阶数越高，链路支持的数据速率也越高。

MIMO系统通常涉及基站发射天线数量以及用户设备接收天线数量。例如，2×2 MIMO意味着同一时刻在基站有两个发射天线，在手机上有两个接收天线。

单用户和多用户MIMO技术

其实，历代的无线通信技术都会使用先进的天线技术来提高网络速度：

1)3G时代使用了单用户MIMO技术，它从基站端同时发送多个数据流给用户。

2)4G时代使用的是多用户MIMO技术，它为多个不同用户分配不同数据流，相比于3G大大提高了容量和性能。

3)而5G时代将会使用的是大规模MIMO(Massive MIMO)技术，进一步将容量和数据速率提高到20Gbps。

Massive意指基站天线阵列中的大量天线;MIMO意指天线阵列使用同一时间和频率资源满足空间上分离的多位用户的需求。

手机天线发展史

▷从大哥大到小触屏

从手机诞生以来，通信频率在逐渐从最初的kHz发展到了GHz频段，而天线的尺寸也经历了从大到小，从外置到内置的变化。

手机中的不同应用所使用的天线

除了通讯功能之外，手机的Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC等功能，都需要用到不同的天线，甚至于最近逐渐火起来的无线充电，用的充电线圈也是一种天线。

我们先从通讯功能说起。最早的手机天线是四分之一波长天线，它是一根单独的天线，也叫做套筒式偶极天线。

由于最早的1G手机频段为800MHz，所以天线的长度有9.4cm。这种天线已经在目前使用的手机上很难见到，而是被大量的用在无线LAN接入点上。

20世纪90年代的2G手机天线则有两个天线单极和螺旋，只能支持单个频段。诺基亚1011和摩托罗拉M300只能支持单个频段的通信。

1997年，摩托罗拉发布了首个双频GSM手机mr601，可以支持GSM900和GSM1800双频，因此有螺旋和鞭状两根天线。

1999年诺基亚推出了Nokia 3210，是一个完全内置的天线，可以支持GSM900和GSM1800双频。

2004年推出的3G Nokia 6630手机，可以真正意义上支持全球漫游，是第一个双模三频段手机，所使用的天线也是多天线内置。

此后，手机逐渐往小型化和个人化发展，为了配合整体设计，天线的设计也更加紧凑化。

对于目前的手机及来说，印制天线被广泛用在终端中，相比于其他安装式天线更加小巧轻薄。从组成上看，印制天线内部有介电材料和接地平面，设计时需要考虑高效率、高增益和辐射模式。

出于对射频前端及基带处理的设计考虑，目前天线的设计方式是针对不同的应用，设计成不同的窄带天线。

而且上文提到，除了通讯功能之外，手机的Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC、无线充电等功能都需要用到不同的天线。

以三星旗舰智能机S9为例，其内部有传统的移动通信主天线(配合高通骁龙845基带，支持4X4 MIMO、5个分量载波聚合)，位于手机的下部和左下部。

GPS天线位于左上部，近场通信天线(NFC，Near Field Communication)和无线充电线圈在手机中部。

此外，手机中还集成了先进的磁性安全传输线圈(MST，Magnetic Secure Transmission)位于摄像头附近。MST是一种移动支付技术，是利用手机发射信号来模拟传统的磁条卡。

▷尺寸不变，数量增加

目前4G通信的波段是1-2.6GHz，而5G使用的通信频段也在6GHz以下。因此，使用5G低频Sub-6频段的手机天线尺寸上不会有大变化，仍然会是厘米级。

不过，为了达到更高的速度要求，5G会使用更多根天线，即MIMO技术，例如8×8MIMO就是有8个发射端天线，8根手机端天线。

而天线数量的增加，则将会要求多个天线之间的形状重新排布，对手机后盖和走线提出新的要求，以达到更好的效率。

天线是一根具有指定长度的导线，可以制造在PCB(印制电路板)和FPC(柔性电路板)上。

目前主流的方案是使用软板厂FPC制造可折叠式天线，它可以弯曲成任意的形状，以适应设备的小型化和便携化。

FPC是Flexible Printed Circuit Board的简称，中文名叫软板，又叫做柔性电路板。它是以柔性覆铜板(FCCL)制成，配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好。

软板使用塑料膜中间夹着铜薄膜做成的导线，在几乎所有电子产品中都有应用，例如硬盘的带状引线、数码相机、仪器仪表、医疗设备和汽车电子中。

在便携设备中，如手机、平板电脑和笔记本电脑中，软板被用来制造射频天线和高频传输线。5G时代，手机天线数量的大幅度增加也会拉动软板的大幅需求。

毫米波

▷高频衰减明显，天线设计新挑战

和Sub-6GHz相比，毫米波则要更复杂一些。

毫米波之所以称为毫米波，是因为当频率高达几十GHz时，电磁波的波长已经缩减到了毫米级，因此毫米波通信会大大减小天线的尺寸。但是，电磁波波长缩小会导致其绕射能力变差，衰减变得异常明显。

高频带来的衰减问题，从空间传播上可以用MIMO多天线和波束赋形来解决，但是在手机内部为了保证信号的完整性，也需要射频前端RFFE尽可能靠近毫米波天线。