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手機凈空區(qū)越來越小,天線設(shè)計該如何應(yīng)對?

發(fā)布時間:2017-12-01 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】自2007年iPhone問世以來的十年間,智能手機個頭在不斷變大,而其“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;就是屏幕尺寸增大所逼。來看看屏幕的平均數(shù)據(jù):智能手機的平均屏幕尺寸從3英寸擴大到4英寸花了5年時間,但從4英寸擴大到目前的5英寸只花了兩年時間。


         自2007年iPhone問世以來的十年間,智能手機個頭在不斷變大,而其“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;就是屏幕尺寸增大所逼。

 

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      來看看屏幕的平均數(shù)據(jù):智能手機的平均屏幕尺寸從3英寸擴大到4英寸花了5年時間,但從4英寸擴大到目前的5英寸只花了兩年時間。

 

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       雖然這些年手機屏幕一直都有往大尺寸方向演進,但屏幕過大時不利于用戶操作和體驗,所以發(fā)展到5.5寸后,屏幕的尺寸增加開始緩慢。而到了2017年,全面屏手機開始受到廠商的關(guān)注。


       相比普通手機,全面屏手機具備更窄的頂部和尾部的區(qū)域和更窄的邊框。在整機大小不改變的情況下,減小手機屏的邊框,長寬比例增大,增加屏占比,可以讓用戶擁有更大屏幕的使用體驗。

       從人機工程學(xué)的角度看:18:9會更符合單手操作,同時更大的屏幕可滿足同時運行兩款軟件并分屏操作,近期Android 7.0版本,增加了系統(tǒng)底層對多窗口的技術(shù)支持,分屏操作會因為全面屏手機的推出而慢慢成為用戶的習(xí)慣。


      從整機尺寸的角度看:5.7寸的全面屏手機與普通5.2寸手機的整機尺寸比較接近,但顯示區(qū)域大大增加,顯示內(nèi)容也更多,便于減少翻頁次數(shù),使操作更加便利。

 

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       全面屏的核心優(yōu)勢就在于超高的屏占比,不僅可以帶來更好的視覺體驗,同時外觀也會顯得更加簡單漂亮。但全面屏也給手機整機帶來了很多問題,如前置攝像頭、指紋識別、   聽筒 、距離傳感器、甚至天線都需要跟進調(diào)整設(shè)計。而天線作為手機用于收發(fā)信號的重要部件,其所受影響也更大。

手機天線是全向,需要凈空區(qū)

      天線是接收和發(fā)送信號(電磁波)的設(shè)備,是無線通信最關(guān)鍵的零件。盡管天線的物理構(gòu)成較為簡單,但是其設(shè)計和構(gòu)造復(fù)雜,涉及到手機內(nèi)部環(huán)境的方方面面,需要考慮很多因素。

 

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      天線的方向性是指天線輻射的信號在特定方向上的強度。手機天線是全向天線,也就是說在天線橫截面360°各方向的信號輻射強度相同,以實現(xiàn)最佳通信效果。要實現(xiàn)全向通信,手機內(nèi)的天線周圍需要足夠開闊的空間,不能有屏蔽或干擾。

 

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全向天線的輻射示意圖

 

      電磁波會被金屬屏蔽,導(dǎo)電的金屬能對電磁波產(chǎn)生反射、吸收、和抵消等作用,因此在設(shè)計天線時,應(yīng)遠離金屬零部件,并避免接觸其他降噪元件。
 

      同時,電磁波容易受到干擾。電磁波干擾傳輸主要可以分為兩種形式:傳導(dǎo)傳輸式和輻射傳輸式。

 

      傳導(dǎo)傳輸式,即干擾源與天線之間有完整的電路連接,干擾信號通過這個連接電路傳遞到天線。這個傳輸電路可包括導(dǎo)線、電源、電阻、電感、電容等一系列元件。

 

      輻射傳輸式,即干擾能量以電磁場的形式向空間發(fā)射,干擾形式主要包括三種:來自其他天線發(fā)射的信號(天線對天線耦合)、靠近電流的空間電磁場(場對線的耦合)、兩股平行電流之間的感應(yīng)(線對線的耦合)。

 

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電磁波會被金屬屏蔽


       因此,手機天線設(shè)計時,不僅應(yīng)遠離金屬元件,而且還應(yīng)隔離電池、振蕩器、屏蔽罩、攝像頭等不相干的零部件,給天線留出一段干凈的空間(簡稱凈空,clearance),保證天線的全向通信效果。


       在手機天線設(shè)計中,天線的凈空是關(guān)鍵的考慮因素之一。通常而言,天線的環(huán)境設(shè)計要求總結(jié)如下:

       金屬類殼體、裝飾、導(dǎo)電噴涂等應(yīng)距離天線20mm以上,因為手機內(nèi)置天線對其附近的介質(zhì)比較敏感;

       電池(含電連接座)與天線的距離應(yīng)在5mm以上;

       當(dāng)采用天線RF雙饋點是,RF與地焊盤的中心距應(yīng)在4~5mm之間。

 

       PIFA天線與單極天線兩種手機天線方案的應(yīng)用條件和部分性能比較

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全面屏手機凈空區(qū)域減小,天線設(shè)計難度提升

      由于手機屏幕上下邊框變得更窄,天線與金屬中框的距離更近,“凈空”比傳統(tǒng)屏幕更少。另外全面屏手機受話器、攝像頭等器件的影響需要更高的集成度,與天線的距離也更近,給天線留下的“凈空”區(qū)域比傳統(tǒng)屏幕更少,對射頻挑戰(zhàn)更高。

      以前16:9的屏幕,最終給天線留下來的凈空在7-9毫米(LCM背光模組到整機底端一般會有9mm左右的主凈空),現(xiàn)在到18:9的屏幕時,留給天線的空間大概只有3-5毫米(如三星S8的LCM背光到整機底端只有不到5mm的主凈空),甚至更窄。

 

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      一般來說,天線是圍繞著手機外框部分來說的,上面一個主天線,下面一個從天線。“影響天線最大性能的部分就在于你給天線留下多少空間”,Qorvo中國區(qū)移動產(chǎn)品事業(yè)部銷售總監(jiān)如是解釋,“天線空間如果大,它覆蓋的頻段也好、效率也好,本身的性能也就更好一些。但是全面屏擠占了天線的空間,擠壓的結(jié)果使得天線效率變差,最終影響了 TRP(Total Radiated Power)也就是天線的整體發(fā)射功率。”TRP 的標(biāo)準(zhǔn)是由運營商規(guī)定,頻段都有規(guī)定的數(shù)值,必須做到規(guī)定的TRP才能夠通過場測,滿足供應(yīng)商的要求,不然你做不了。


       可以說,這將考驗每一個天線廠商的工藝水平,力求將智能手機屏幕的上下留出的空間做的越窄越好,否則天線部分的損耗是比較大的。

 

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      從頻段方面講,天線越長就能夠覆蓋更低的頻段,高頻段反而對天線的尺寸要求不高。所以一旦天線空間受到擠壓后,影響最大的便是低頻,使得帶寬變窄。從數(shù)字上來看就是 TRP 的數(shù)值在下降,從16:9轉(zhuǎn)變?yōu)?8:9的屏幕時,像LTE B1、LTE B3、LTE B5這樣一個TRP的數(shù)字實際上已經(jīng)不符合CMCC要求了,比CMCC要求低了。

      從智能手機對MIMO、2CA、3CA、4CA和5G、以及低頻600兆的需求來看,天線的個數(shù)還要不斷增加。如果具備以上所有功能的話,智能手機原來只需2-4個天線,換做全面屏就要增加至4-7個天線,天線數(shù)量也在不斷增加中。


全面屏手機凈空區(qū)域減小,天線設(shè)計問題如何突破

      當(dāng)前對于天線的解決方案分別有屏背后金屬切除,LDS天線技術(shù)和整合天線與其他零件三種。對于全面屏下的天線的解決方案有兩種思路,一種思路是擴大手機內(nèi)部的凈空區(qū)域,對應(yīng)的解決方案為屏背后金屬切除。第二種思路是減小天線所需的凈空區(qū)域,對應(yīng)的解決方案有LDS天線技術(shù)、整合天線與其他零件。

 

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屏背后金屬切除:增加手機內(nèi)部凈空區(qū)域

 

      可以掏空角落部分的背板金屬,以保證足夠的凈空。手機屏幕的最后一般會有一塊金屬背板,起到保護屏幕、散熱等作用。天線一般安裝在主板上,但由于金屬背板的存在,其位置一般不能放置于屏幕后面。在全面屏?xí)r代下,可以將上下邊框角落的金屬背板挖掉,留出足夠的空間供天線使用。不過,這種方式會導(dǎo)致屏幕的強度變低、并增加加工成本。

 

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iPhone 5s 的金屬屏幕背板

 

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切除天線所在部分金屬背板

 

      此外,為了獲得更好的天線空間,三環(huán)和順絡(luò)陶瓷蓋板,以及信利的玻璃蓋板則為手機天線設(shè)計提供了更好的環(huán)境。

      解決全面屏天線設(shè)計問題,除終端廠商努力外,射頻器件廠商也在不斷地嘗試,如:第一是開源的方式,提高 PA 的功率,如果 PA 的功率大,即便被吸收掉一些,最終釋放出去的還是多的。第二就是 ET 或者 boost 的方式,通過把電壓升高以提升 PA 的功率。(如果把整個電路的功率提高,對濾波器、雙工器也有特別的要求,需要支持更高功率的High Power Filter。)還有就是利用Impedance Tuner(阻抗調(diào)諧)和Aperture Tuner(天線調(diào)諧)的方式,幫助提高天線的效率。



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