詳述手機(jī)天線(xiàn)的發(fā)展

在《你知道一個(gè)手機(jī)究竟有多少種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)嗎？》我們根據(jù)手機(jī)的規(guī)格參數(shù)分析了現(xiàn)在手機(jī)所能夠支持的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)?，F(xiàn)在的智能手機(jī)居然能夠支持多達(dá)多達(dá)七種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，并且每一種又包括很多個(gè)無(wú)線(xiàn)頻段。就單單蜂窩通信這種手機(jī)最基本的無(wú)線(xiàn)功能，也多達(dá)60多個(gè)頻段，涵蓋2G，3G，4G，5G。不得不說(shuō)，現(xiàn)在的智能手機(jī)真的是電子設(shè)備中最精華的設(shè)計(jì)，用最高的芯片制造工藝，支持著最復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)環(huán)境，而且還超級(jí)牛的照相機(jī)，游戲機(jī)，影音播放機(jī)。

不得不為我們通信人豎起大拇指，點(diǎn)個(gè)大大的贊。

（智能手機(jī)結(jié)構(gòu)圖）

上圖是一個(gè)智能手機(jī)的功能示意圖，現(xiàn)在芯片技術(shù)的發(fā)展，讓一個(gè)手機(jī)在小小的體積內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的功能。無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)模塊也集成在了幾個(gè)小小的RFIC內(nèi)，可是天線(xiàn)怎么辦？這種與電磁波波長(zhǎng)強(qiáng)相關(guān)的射頻器件，是很難縮小到IC中的，并且還要支持如此多的頻段。

我們今天一起來(lái)探究一下，手機(jī)天線(xiàn)到底是如何一點(diǎn)一點(diǎn)縮小到手機(jī)里的呢？

No.1 ?最初的手機(jī)天線(xiàn)

最早的手機(jī)天線(xiàn)是什么樣的呢？首先最早的手機(jī)天線(xiàn)肯定是用在最早的手機(jī)上的。在2023年巴塞羅那通信展上，GLOMO個(gè)人終身成就獎(jiǎng)的獲得者M(jìn)artin Copper就是現(xiàn)在手機(jī)的發(fā)明人，而第一款真正意義上的手機(jī)就是下圖馬丁老爺子面前的這幾款大哥大。馬丁老爺子就是在摩托羅拉實(shí)驗(yàn)室打通了第一個(gè)移動(dòng)電話(huà)。

看到不，大哥大腦袋上頂著的那根長(zhǎng)長(zhǎng)的桿子就是第一款手機(jī)天線(xiàn)，學(xué)名叫做單極子天線(xiàn)，俗名叫做鞭狀天線(xiàn)。

單極子天線(xiàn)是最最最古老的天線(xiàn)形式之一，在馬可尼的跨大西洋通信中就是應(yīng)用了單極子天線(xiàn)。馬可尼應(yīng)用的發(fā)射天線(xiàn)是從48m高的橫掛線(xiàn)斜拉下50根銅導(dǎo)線(xiàn)形成的扇形結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為是第一副實(shí)用的單極天線(xiàn)，震蕩源是70Hz的火花發(fā)生器，隨后又利用4座木塔架設(shè)導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)構(gòu)成方形單錐天線(xiàn)，如圖所示，發(fā)射波長(zhǎng)1000m。

而后，隨著無(wú)線(xiàn)電工作頻率的升高，電磁波波長(zhǎng)也越來(lái)越短，單極子天線(xiàn)的個(gè)頭就越來(lái)越小，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，單極子天線(xiàn)都是無(wú)線(xiàn)設(shè)備的一種常用天線(xiàn)。

在1944年，摩托羅拉申請(qǐng)的第一個(gè)可移動(dòng)通信設(shè)備的專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：US2439411A）中，單極子天線(xiàn)就出現(xiàn)在了專(zhuān)利申請(qǐng)書(shū)上，而這個(gè)專(zhuān)利是不是很像后來(lái)的大哥大。

單極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)諧方便，尺寸僅僅是相同工作頻率的偶極子天線(xiàn)的一半，其工作原理圖如下圖所示，一個(gè)可等效為無(wú)限大的地將單極子天線(xiàn)的獨(dú)臂通過(guò)鏡像的方式實(shí)現(xiàn)偶極子天線(xiàn)的雙臂輻射。

如果單極子天線(xiàn)的地為無(wú)窮大的話(huà)，其輻射方向性圖也相當(dāng)于偶極子的一半。

但是移動(dòng)設(shè)備不可能提供一個(gè)無(wú)窮大的地，所以單極子天線(xiàn)的實(shí)際方向性圖會(huì)變化。下面是我們利用仿真軟件通過(guò)改變單極子天線(xiàn)的地的大小得到的天線(xiàn)方向性圖，是不是很奇怪，隨著單極子天線(xiàn)的地越來(lái)越小，它的方向性圖會(huì)變得越來(lái)越接近偶極子。

這種垂直于地面的單極子天線(xiàn)在水平方向上可提供一個(gè)完美的全向輻射方向圖，非常有利于手機(jī)的應(yīng)用。但是在垂直方向上就不好了，尤其是在軸線(xiàn)上，有一個(gè)大大的輻射凹坑，信號(hào)根本就不往這個(gè)凹坑里面走。所以，一定不能把家里的WiFi 天線(xiàn)正對(duì)著你的手機(jī)......

但是大大的個(gè)頭是在是太影響美觀(guān)了，于是工程師們就想著如何進(jìn)行單極子小型化，比較常見(jiàn)的方案是把單極子的輻射線(xiàn)做成螺旋狀的來(lái)壓縮天線(xiàn)的體積。抑或是做成拉伸結(jié)構(gòu)的，不用的時(shí)候就縮起來(lái)。

這種利用螺旋線(xiàn)來(lái)縮小單極子天線(xiàn)尺寸的方式也曾廣泛地應(yīng)用在手機(jī)中。比如早期的摩托羅拉手機(jī)和諾基亞手機(jī)，天線(xiàn)就變成了一個(gè)小蘿卜頭的樣子。

那能否把單極子天線(xiàn)折起來(lái)，直接封裝在手機(jī)里面呢？

No.2??看不見(jiàn)的手機(jī)天線(xiàn)

單極子天線(xiàn)豎起來(lái)能用，那么折起來(lái)能用嗎??所以就有了人工改造單極子的第一步。同軸單極子天線(xiàn)能否做成微帶單極子天線(xiàn)呢？當(dāng)然是可以的，并且微帶單極子還可以掰彎，做成倒L形狀的單極子。

我們知道，偶極子天線(xiàn)的特征阻抗為73.1歐姆，單極子天線(xiàn)的特征阻抗為偶極子的一半，約為36.5歐姆，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要匹配倒我們通常用到的50歐姆饋線(xiàn)阻抗中。為了進(jìn)一步改善倒L單極子的阻抗匹配，天線(xiàn)工程師們?cè)诘筁的饋電前面增加了一個(gè)接地點(diǎn)，做成了一個(gè)倒F形狀的天線(xiàn)，也就是常見(jiàn)到的IFA天線(xiàn)。進(jìn)一步把IFA的輻射部分用平板來(lái)實(shí)現(xiàn)，來(lái)改善天線(xiàn)的帶寬，就出現(xiàn)了平面倒F天線(xiàn)PIFA。下圖展現(xiàn)了單極子天線(xiàn)的一個(gè)演化過(guò)程。

下圖是平面倒F天線(xiàn)的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，單極子的輻射單元進(jìn)化成了一個(gè)大大的輻射片，放置在天線(xiàn)地的上方，在饋電點(diǎn)附近的一個(gè)位置通過(guò)一個(gè)短路過(guò)孔實(shí)現(xiàn)輻射片的短路，來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。平面倒F天線(xiàn)需要一個(gè)比較厚的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在諾基亞手機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)代的摩托羅拉手機(jī)還是比較熱衷于倒L或者IFA天線(xiàn)，這可能也是摩托羅拉手機(jī)一貫比諾基亞薄的一個(gè)因素之一吧。

諾基亞3210是第一款使用PIFA天線(xiàn)的手機(jī)。在1987年，諾基亞推出第一款手機(jī)Nokia Mobira Cityman，依然用的是長(zhǎng)長(zhǎng)的桿子做手機(jī)天線(xiàn)，慢慢的把天線(xiàn)縮成了一個(gè)小蘿卜頭，在1999年的時(shí)候，在Nokia3210上，天線(xiàn)終于完全集成在了手機(jī)內(nèi)，用戶(hù)看不見(jiàn)了。這款Nokia3210也成為了手機(jī)史上最暢銷(xiāo)產(chǎn)品，總銷(xiāo)量高達(dá)1.6億部。

在IFixt網(wǎng)站提供的拆解報(bào)告中，我們終于找到了這款PIFA天線(xiàn)的真面目，不清楚中間的那個(gè)小孔是不是它的短路點(diǎn)。

當(dāng)然在2000年的時(shí)候，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)還比較簡(jiǎn)單，Nokia 3210 這款史上最暢銷(xiāo)手機(jī)也僅支持GSM 和DCS 頻段，藍(lán)牙，Wifi， 衛(wèi)星導(dǎo)航等現(xiàn)在智能手機(jī)上最基本的無(wú)線(xiàn)功能，統(tǒng)統(tǒng)都為0。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較單一，天線(xiàn)的設(shè)計(jì)也不太復(fù)雜，通常的雙頻天線(xiàn)就可以滿(mǎn)足手機(jī)的通信要求。而現(xiàn)在一個(gè)手機(jī)僅僅要滿(mǎn)足基本的蜂窩通信功能，就需要支持多達(dá)60多個(gè)頻段，涵蓋 2G，3G，4G，5G 目前還在使用的幾乎所有頻段，而且還有藍(lán)牙，Wifi，衛(wèi)星等頻段的無(wú)線(xiàn)通信要求。

No.3??智能手機(jī)的天線(xiàn)

現(xiàn)在手機(jī)支持的無(wú)線(xiàn)通信頻段越來(lái)越多，所需要的天線(xiàn)也就越來(lái)越多，最簡(jiǎn)單的方法就是把所需要的每一種天線(xiàn)都放上去，比如在Palm這款手機(jī)的背面就集成了 GPS天線(xiàn)，以及GSM的低頻900MHz和高頻1800MHz的天線(xiàn)，并且在右上角還加了一個(gè)分機(jī)天線(xiàn)。

在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，手機(jī)天線(xiàn)都是這樣設(shè)置的，在塑料后蓋上印刷天線(xiàn)，從成本和空間利用上來(lái)說(shuō)都是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)。這種把天線(xiàn)拉出來(lái)用外部金屬片或者其他結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的天線(xiàn)，也就是FPC天線(xiàn)。蘋(píng)果公司從第一代蘋(píng)果手機(jī)直到iPhone 3GS 上，都采用了這種FPC天線(xiàn)，利用塑料膜封塑銅薄膜做成柔性天線(xiàn)，放置在手機(jī)的塑料外殼內(nèi)。

2010年，蘋(píng)果公司推出的Iphone4，給手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化，第一次把手機(jī)的金屬邊框作為輻射體，將天線(xiàn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)件完美融合在一起，開(kāi)創(chuàng)了邊框天線(xiàn)的時(shí)代。iPhone 4手機(jī)的主天線(xiàn)，不僅在機(jī)殼的側(cè)面，而是與手機(jī)內(nèi)部的另一天線(xiàn)結(jié)合構(gòu)成的。機(jī)殼側(cè)面焊接著形狀復(fù)雜的金屬片，用來(lái)支持各個(gè)國(guó)家不同的多個(gè)波段。

這種全新的天線(xiàn)設(shè)計(jì)，一度還因?yàn)椤疤炀€(xiàn)門(mén)”而上了熱搜，很多用戶(hù)反映“在用手緊握iPhone4的時(shí)候，其移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)就會(huì)在數(shù)分鐘內(nèi)完全衰減到無(wú)法通話(huà)的水平?！痹蛞埠苊髁?，邊框天線(xiàn)直接暴露在手機(jī)外面，非常容易被外界干擾，尤其是手握電話(huà)的時(shí)候，第一，人體的介電常數(shù)會(huì)改變天線(xiàn)的工作頻率，影響天線(xiàn)的效；其二，這種通過(guò)斷點(diǎn)來(lái)設(shè)定天線(xiàn)不同工作頻率的方法，如果人體剛好接觸到斷點(diǎn)，由于人體是個(gè)導(dǎo)體，很容易使斷點(diǎn)失效。不過(guò)，有問(wèn)題不要緊，解決了就行了，最怕的是怕遇到問(wèn)題而不敢去創(chuàng)新iPhone4 上遇到的問(wèn)題，很快就被蘋(píng)果公司的天線(xiàn)工程師解決了，而解決方案也非常簡(jiǎn)單，在后面推出的iPhone4S上，我們看到，在邊框上又增加了一個(gè)斷點(diǎn)，手機(jī)信號(hào)就完美復(fù)活了。

無(wú)論如何，這種邊框天線(xiàn)都極大地促進(jìn)了移動(dòng)終端天線(xiàn)的進(jìn)步，也啟發(fā)了移動(dòng)終端天線(xiàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)新思路：天線(xiàn)和結(jié)構(gòu)功能相融合。在華為的Mate60上，我還注意到，攝像頭的邊框也被設(shè)計(jì)成了一個(gè)天線(xiàn)——NFC 天線(xiàn)。

蘋(píng)果手機(jī)邊框天線(xiàn)的具體設(shè)計(jì)，目前還查不到什么具體資料，在論文《Overview of Future Antenna Design for Mobile Terminals》中詳細(xì)介紹了手機(jī)金屬邊框天線(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理。通過(guò)巧妙地分割和接地，在金屬邊框中可以實(shí)現(xiàn)諸如倒L天線(xiàn)，倒F天線(xiàn)，環(huán)形天線(xiàn)等多種天線(xiàn)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足現(xiàn)在手機(jī)多頻段多制式的要求。

手機(jī)天線(xiàn)的發(fā)展，就先介紹到這里了，任何問(wèn)題，留言或者+V私聊。

參考文獻(xiàn)

1，https://tisc.njust.edu.cn/e/f3/41/c12098a258881/page.htm；2，https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-22543-7_21；3，https://finance.sina.cn/2022-09-15/detail-imqqsmrn9174393.d.html；4，https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329；5，https://zhuanlan.zhihu.com/p/1004213646，https://zhuanlan.zhihu.com/p/581633297，5G移動(dòng)終端天線(xiàn)設(shè)計(jì)