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全面屏手机天线设计难题如何解决,答案在这里

2017-09-21 5g

从三星 S8、iPhone X 到小米 MIX2,越来越多的旗舰机型选择全面屏作为新一代智能手机的创新设计。虽然手机的外观设计感得到大幅提升,但其对天线设计也带来了巨大的难题和挑战。

日前,Qorvo 中国区移动产品事业部销售总监Locker Jiang就这一问题做出了详细的分析和解答。

为什么选择全面屏作为下一代智能手机的创新?Locker表示,如何让消费者有冲动去更换手机成为重中之重。一方面从16:9到18:9的屏幕转换,相当于5.9寸屏幕的智能手机与原有5.5寸的智能手机握感差不多,单手握的感觉变窄了。另一方面,全面屏还为消费者从外观和视觉带来全新的体验,这对于趋向同质化的智能手机市场来说是一种新的创新。

一般来说,天线是围绕着手机外框部分来说的,上面一个主天线,下面一个从天线。“影响天线最大性能的部分就在于你给天线留下多少空间”,Locker 进一步解释,“天线空间如果大,它覆盖的频段也好、效率也好,本身的性能也就更好一些。但是全面屏挤占了天线的空间,挤压的结果使得天线效率变差,最终影响了 TRP(Total Radiated Power)也就是天线的整体发射功率。”TRP 的标准是由运营商规定,频段都有规定的数值,必须做到规定的TRP才能够通过场测,满足供应商的要求,不然你做不了。


举例说明,以前16:9的屏幕,最终给天线留下来的净空在7-9毫米,现在到18:9的屏幕时,留给天线的空间大概只有3-5毫米,甚至更窄。Locker 强调道,这将考验每一个天线厂商的工艺水平,力求将智能手机屏幕的上下留出的空间做的越窄越好,否则天线部分的损耗是比较大的。
 

从频段方面讲,天线越长就能够覆盖更低的频段,高频段反而对天线的尺寸要求不高。所以一旦天线空间受到挤压后,影响最大的便是低频,使得带宽变窄。从数字上来看就是 TRP 的数值在下降,从16:9转变为18:9的屏幕时,像LTE B1、LTE B3、LTE B5这样一个TRP的数字实际上已经不符合CMCC要求了,比CMCC要求低了。

从智能手机对MIMO、2CA、3CA、4CA和5G、以及低频600兆的需求来看,天线的个数还要不断增加。如果具备以上所有功能的话,智能手机原来只需2-4个天线,换做全面屏就要增加至4-7个天线,天线数量也在不断增加中。

无论从天线数量还是留下的天线空间来看,下一代智能手机的创新对其最大的影响就是 TRP。如何解决?

Locker 从五大方向来解决全面屏带来的天线设计难题。第一是开源的方式,提高 PA 的功率,如果 PA 的功率大,即便被吸收掉一些,最终释放出去的还是多的。第二就是 ET 或者 boost 的方式,通过把电压升高以提升 PA 的功率。他进一步指出,如果把整个电路的功率提高,对滤波器、双工器也有特别的要求,需要支持更高功率的High Power Filter。还有就是利用Impedance Tuner(阻抗调谐)和Aperture Tuner(天线调谐)的方式,帮助提高天线的效率。

其实,全面屏的推广虽然对Qorvo这家射频厂商提出更多的挑战,同时也是创造了更多的机会。Locker 指出,未来智能手机将需要更高功率的 PA,需要额外的ET,需要更高功率的滤波器,需要更多的ACS tuner。RF前端元件的数量变得越来越多,对Qorvo来说是一种利好。此外,对于Qorvo这家技术先进型的公司来说,更愿意看到全面屏的到来,抓住市场机会,为智能手机厂商提供更多更好的解决方案。

以下是Qorvo中国区移动产品事业部销售总监Locker Jiang群访实录:

问:你刚刚讲有MIMO的介入,有些是全面屏,将来你这个空间,手机上还要用天线,那么你在这些措施以后,要增加PA,但你的体积有没有变化,因为这关系到你将来MIMO的部署。

答(Locker):体积,你是说。

问:芯片提高功率了,就是你的PA提高功率了,然后你又采取了这些措施,芯片的尺寸是变大了还是变小了,如果你变大的话,对 MIMO 的部署是否会有影响?

答(Locker):我芯片不是放在下面的空间里的,是放在PCB板上的。最终挤占的是天线的位置。

问:相当于您的芯片还是放在板上,放在板上的话,那它这个板面积也没有变大,这个对于你们来说,在尺寸上会不会有影响?

答(Locker):很好的问题,其实我们看到趋势是集成化产品越来越多,集成化产品的一大好处就是讲的那个size,体积会更小,就是在PCB板上。因为未来频段越来越多,然后LTE的频段也越来越多,包括5G,集频的更多了,实际上你要把所有的,你看你所有CA现在是两CA,后来三CA,四CA,其实频段确实是越来越多,而且更复杂,开关也越来越多,4x4 MIMO以后导致了这个你RX部分的这个天线还更多,滤波器、开关的数量也多,对尺寸来说一直是挑战。

我们解决的方式比如说在 RX 部分会提供一种接收模块,分集接收模块。那么在主发射这边我们还有很多这种 PAMID的形式出现,所以我们也看到越来越多的旗舰机手机特别是那种比如说小米的Max2出来,它里面用的很多就是PAMID的,因为它要覆盖全球43个频段,43个频段那这个里面你要用多少的PA,多少开关,这个确实是太大了,所以说它最后选择用全球的形态出现,就是为了回应我们的质疑,怎么能够把这个射频端的 Size变小,您提的非常好,就是有解决方法,就是提供各种集成的方案。

问:还有您说提高PA,但是电流又没有增加很大,那您这个PA是怎么提上去的?

答(Locker):这个是通过ET的方式,就是用ET的方式把电压提高上去。

问:电压提高上去,那是不是功率对整个手机的功率,电源是不是就有要求?

答(Locker):对,就是会有额外的一些cost,需要一个DCDC,需要一个bulk/boost那种,升压,降压这样的一个产品。然后但是对于PA来讲,输入电压更高,输出功率自然就高了,电流不会跟着上,如果是输入电压不高,然后非要推很高的功率,那电流消耗肯定要更大一些。

问:您做全面屏的方向是否需要额外的电源支持?

答(Locker):不是电源,它是一个DC-DC的一个芯片。

问:就说我需要一个额外的DC-DC来支持?

答(Locker):对,如果做ET就需要,也可以不做ET。如果用ET的方式来做更加容易实现一些,但是也可以不用做ET,就看怎么调,也可以用很多的 ACS tuner来做。这里面有各种各样的方式,最终计算成本看怎样实现是最好的。

问:那您觉得全面屏它如果给天线留得空间太小的话,对于未来,就是说LTE后边的东西或者说到5G那边,强调智能天线的系统的时候,是不是存在了更大的难度?就是在这方面如果比如以后5G的时候,做智能天线或者说那种甚至做多径音天线的那种方式的时候,那么对PA这边会有什么影响?

答(Locker):对,天线这一块,目前来看,就是据我们跟天线厂家的合作来看,更多看到的是ACS tuner其实确实是对它是有帮助的,所以是两个行业之间一起工作的方向。天线的效率怎么去提高,这肯定是天线厂一直在考虑的。我们更多的考虑是在目前天线的这种技术状况下,用什么样的方式使得手机厂商最终解决他的难题,这是我们考虑的问题。

问:就是说如果说天线技术去做调整的话,对于整个的PA,或者说这种射频的信号链那边的调整的话,您认为会有什么影响?

答(Locker):就是刚才您看我这张图,如果天线的效率变好,其实最大部分是下面这个部分,就是说被天线吸收的这个部分变小了,那这样的话,对于我的PA的要求就会没那么高,但是问题是到5G的时候其实还是复杂的,还是有更多的需要,这个要看怎么计算,大体的方向,我刚才这个链路就是都是像翘翘板,就是一部分做得好了,另外一部分低了,这都是个翘翘板。不一定每一个方向都把它做得很好,只要最后TRP满足指标就好了,最终是TRP,这里边每一个地方都是一个去帮助它实现的一个手段。

问:通过提升功率来实现,对功耗这方面会不会带来一些影响?

答(Locker):是的,如果说不用ET的方式,电流是会大的。

问:功耗增大的话,这是5G不愿意看到的,咱们有没有技术减小这个通讯模块的耗电量?

答(Locker):如果用ET的话,即使它功率很高,然后电流也不是那么大。

如果IoT的话是低功耗。但5G是一个很广的说法其实是,我觉得如果说是你到一个毫米波的范围里边,这个功耗可以问一下我们的工程师?毫米波情况下这个功耗会更大吗?

Qorvo 工程师:其实在5G里面,没有强调说是低功耗,更强调的是速率带宽,所以从自身的器件来讲,我们会不同的方式去实现技术,通过做 MIMO的技术,信号调制方式做的更高,然后功率是一部分,功率可以做得更好,覆盖更宽、更广一点。5G更强调其实是高带宽、高覆盖,至于同时带的这种因为他的前端是更复杂吗,它肯定会带来功耗的问题。实际上我们很多厂商已经在开始应用我们ET的技术,ET其实是可以省掉很多电,我们用ET跟现有的技术一比,电池大概可以省20-30%左右。其实现有市场上看,很多手机很多都是带ET的技术,功耗做的比较好。ET是解决功耗目前最好的手段。另外 Locker说的我们集成模块的产品,因为既要高功率又不希望电流提高的话,集成模块可以带来更低的插损,就说你后面东西少了以后,天线出同样的功率,PA的功率会更低,电流也会降下来。

问:我想再问一下就是说,对于像毫米波,尤其是稍微高频一点的毫米波,比如说20多G,现在研究多的有60多G的,这种频率的毫米波,用在5G上的话,这种PA的设备是不是已经不太适合在手机上用了,手机上可能用到5G的时候,还是在6G赫兹左右这个频率上的一个范围?

Qorvo 工程师:因为30G功率波也是5G这个方向,那肯定是可以应用在射频上的。

问:但是你们的电池会坚持多久?

Qorvo 工程师:我们没有具体数据可以看,因为我们现在近些年看到的都是小于6G的,今年我们看到5G的研究方向,5G基本上我们分为小于6G到毫米波,分两个部分,近期我们看到推出的产品都是6G以下的。

答(Locker):我们现在还没有具体数据,但是我的理解就是毫米波最主要是短距离传输,其实它功耗应该不会特别大。

答(Locker):是,其实现在RF前端供应商这一家,基本上四家,大家看起来就是四家,Broadcom、Skyworks、Qorvo 和Murata,大家都平分秋色,各有所为,各有一些技术特点,那么我觉得没有谁更领先,只能说大家都有一些方向,比如说大家都做集成化的产品。那么对于Qorvo来说, 我们的技术特点是产品比较宽,就是在这个射频前端我们应用的产品技术比较宽,我们有PA,大家都有PA,但是我们现在有HBT5的这种新的工艺的PA,那么我们有滤波器吗,大家都有滤波器,但是我们除了SAW滤波器,我们有BAW滤波器,就我们刚刚的Avago 和 TDK有,有些是没有的。那么我们有开关的技术,所有的开关技术现在每家都有,但是Qorvo的开关技术是最先进的,因为首先它的市场占有率是最大的,我们在天线调谐市场占有率这一块70%以上的市场份额。这些其实,特别是这种开关产品,PA这个其实更多考验的是工艺,滤波器,我们的 BAW 和 SAW滤波器,其实很多也是一代一代的工艺,工艺好了以后你才能够把这个产品做得很好。开关是一个很有意思,开关所有都是代工,基本都是外面做的。我们这几家,没有一家自己做开关的生产。但是我们在于创新,你怎么去做一些定义产品,比我们的同行能够更早的想出一些好的产品出来,然后去引导市场,这个是Qorvo做得非常好的在开关这一块。而且我们做非常全系列的产品,其实很多都针对客户的一些特别应用,我们今年得过vivo的一个创新奖。我们的创新能力很强,就是很多的好的产品的设想我们可以提供给客户,我觉得这个是我们非常强的部分。

所以我们大家都在往前跑,不能说今天我跑得比别人快,大家都在往前跑,一段时间可能我跑的前面一点,那我就可以多一点市场份额。一段时间我们的竞争对手跑到前面去,他就多了市场份额,但是总体大家是良性的发展,我觉得这个是很好。不知道这样回答,算不算回答你的问题。

问:Qorvo今年或在未来几年,针对中国市场有哪些策略或者手段帮助中国本土一些手机厂商去把射频做好,会提供哪些支持?

答(Locker):其实我们跟我们的客户其实走的非常紧密,因为团队整个很多的,比较好的一点其实我们现在中国区域这些都是几大客户,都是很有名的这几大客户,其实我们跟他们的关系非常良好,都是主力的重要的合作伙伴。那么主要来讲一个是其实我们跟得很紧,跟紧的是技术潮流比如这个全面屏的事情,我们就是在提供我们的方案,来帮助他们去解决他们的难题,这也就是我们一直在做的工作,也是我们未来要做的工作,包括我们在讨论5G,包括我们的IoT,我们IoT也有很好的方案,当然这个跟手机没有什么关系,是我们公司另外一个领域的,那么在手机这一块其实最主要的还是,我们现在看到的趋势就是高功率的PA,包括高功率的滤波器,这都是我们看到客户有这个要求了,其实已经提出这个要求,这是个明确的方向。比如说ACS tuner,刚才我讲到这几个,其实我这个正好是现在和明年一年都是我们的重要客户他提的要求,当然还有一部分就是我们的PAMID,集成化的产品,这是另外一个系列的产品。

所以总体来讲就是技术上我刚才讲的三个部分,PA、滤波器、开关,还有一个产品形态上,就是这种集成化的模块,集成化模块还会有一些演进,那么以后有机会可以再聊。

问:您觉得,看您上面,包括那个图上第三个是汽车,因为汽车现在自动驾驶、无人驾驶或者车联网其实对于整个的PA需求也是很大的?

答(Locker):对。

问:那在这方面,PA的需求跟手机端有什么不同的地方吗?

答(Locker):车联网现在更多的是4G的模块这种,它可能更多的是对于这个安全性、可靠性的要求是更高的。

问:传输上没有什么区别?

答(Locker):没有什么区别,是一样的。

问:我还想问一个就是关于手机这边的,就是说除了全面屏以外,就像刚才这位记者说的一样,其实现在手机的功耗也是一个挺尴尬的问题,因为有一个趋势大家希望全面屏越大越小,但是很有另外一批人希望能够恢复到以前那种2G功能机那种,说我一部手机我能两天、三天,它才可能保证,尤其是我不需要那么多、那么炫的屏幕那么多的娱乐应用那些东西,但是我能够希望它能够保障三天、四天待机,而且保证稳定。那么对这方面PA的系统,您觉得怎么解决这样的问题,保证它整个的通信系统更好地又更高效地又更省电的工作。

答(Locker):刚才我已经讲了,通过ET的方式,ET是很好的方式。通过ET,满足你的基本需求,比如4G,比如你有更多的CA,除非你回到2G但是不可能的。假如往前走的话,那么这样的话ET是一个平衡,还有PAMI,因为我们的这个insertion loss比较好一些,所以整个链路里边会更低一些,这样整个功耗的消耗,电流会低一些,功耗的消耗会小一些。

问:那您觉得就是说对未来来说,就是说这两种不同的趋势,不同的需求,对您这边是需要用不同的产品去满足,或者是去做一些不同的方案去满足。

答(Locker):不同的方案来满足,更多是方案,产品的话,方案是更好的一种方式去解决这样一个兼顾两头这样的问题。

问:但是你方案的话,模块化的成本如何看,对比它的灵活性、差异?

答(Locker):这个要看最终成本。我们现在来看的话,旗舰机可以承受多一点成本压力,它会考虑用模块化的产品来做,那么如果频段少一些,这种入门级或者是中低端手机不需要这么多频段,它会更多选择分离式的方式来做。

问:您觉得就是说在整个PA的材料这边,或者说PA因为材料刚才也说了短期内还是用 GaAs,但是在GaAs这个材料其实也不停地在更新、在换代,那么您觉得因为我们知道Qorvo以前自己会研发这些材料的东西,也会跟外边合作这些东西,那么未来这个研发成本越来越贵的话,那么Qorvo会怎么去摊薄这些研发成本?

答(Locker):我们工厂产能还很大,其实更多的是工艺的更新,目前都是 HBT,我们有第四代、第五代的产品,兼顾到功率输出,当然也会考虑到电流消耗,后面可能还会有HBT6,这种其实功率更新就是为了兼顾两头,能够做得更好一些。这种raw material是非常有挑战的问题,我只想说工艺的更新是我们的方向,一直是我们的方向。

问:您说到工艺的更新,就是 FDSOI射频的这个前景您怎么看?

答(Locker):SOI现在我们用的很多,在开关上都是SOI的,然后CMOS的这种其实我们之前也是有这样的产品,是两条路在走实际上,CMOS我们也在持续的发展,但是更多的CMOS我们是针对于一些更低成本的市场来做,我们会做这样的市场,但是希望有更好的性能的市场,那么我们还是会在 GaAs 上来做。

问:手机现在后壳有玻璃,这个对射频来说是好事,原来金属对天线不好,还有陶瓷。

答(Locker):是的。

问:但现在如果说原来金属的问题,它把天线刻在后面,如果到5G、6G这样,他是否还能继续这样的,就是它有个中框刻在上面。

答(Locker):当然5G是有可能的,也有可能把天线做在后盖上,然后我就卖PA就好了,他有可能捆绑作用模块就完了,这是有可能的。

延伸:全面屏下的天线工艺——LDS

全面屏下的天线设置一直是行业关心的问题,事实上难度全在手机的设计上。不过,作为天线制作工艺的LDS,确是一个需要全面了解的好工艺。

LDS工艺发展至今已经比较稳定成熟了,相对其它传统工艺,LDS具有 成品体积小,制程简化,研发制造时间短,制程稳定。环保,精确度高等技术优势。目前已经广泛应用于智能手机天线、笔记本电脑天线,医疗设备传感器、汽车设备传感器、电子电气 等产品中。

首先,LDS到底是什么?

LDS-激光直接成型技术,是指利用数控激光直接把电路图案转移到模塑塑料原件表面上,利用立体工件的三维表面形成电路互通结构的技术。

LDS材料是一种内含有机金属复合物的改性塑料,经过激光照射后,使有机金属复合物释放出粒子。

那么,LDS的工艺流程又是怎样的?

(LDS工艺流程)

1.金属氧化物的制备:

有机金属复合物的特性:(1)绝缘性;(2)不是催化性活性剂;(3)可以均匀的分散在塑料基体中:(4)激光照射后能释放出金属离子;(5)耐高温;(6)耐化学性;(7)低毒;(8)无溢出,无迁移 。

2.LDS专用料的制备:

(LDS专用料的制备流程)

3.开模与注塑:

模厂根据终端客户的需求和LDS专用料的要求开模和注塑。

①镭射区域不能设计垂直面,要适当的设计斜坡,斜坡与垂直线的角度应大于等于30°以上。

(镭射区域设计斜坡与垂直线30°以上)

②镭射区应尽量避开分模线,以免后续给镭射工艺带来断线的致命影响。

③分模线的高度上限不能超过0.05mm。

④导通孔应该设计为锥角,锥角角度应为大于等于60°的角度,导通孔 的最小直径应为0.2mm,孔边可倒半径为0.15mm的圆角。

⑤塑胶素材表面不应做抛光处理,粗糙度为Rz5-10um,符合LDS制程要求。

⑥塑胶成品素材尺寸公差要求不能超过0.02mm平整度一致度要求要高.

4.LDS镭雕:

注塑成型后的素材到镭雕线完成镭雕过程;

(LDS材料镭雕,化镀示意图)

(1)导电线路设计须知

①尽可能的将线路设计在同一个面,曲面平面不受限制,拿一个长方体素材来说,拐角相连的线路非常影响LDS生产效率,若能改为在两条对边上就可以提高生产效率,尤其是较大机壳。

②镭射线路最细可设计为0.2mm左右。

③线路之间的间距最小0.5mm左右,防止后续化镀过程中产生溢镀而造成线路短路。

④线路边到塑胶壳边的距离为最小0.1mm左右。

⑤线路边到塑胶壳墙体边的距离为1-2mm左右,(防止镭射过程中因金属粉尘溅到壁上而产生溢镀)。

⑥平坦面相对曲面镭射可能会给化镀厚度及粘附力带来不同的影响,平坦面镭射效果比曲面效果好。

(2)LDS过程应注意事项

①首先确认要导入镭雕设备LDS STP文件中的3D线路应为零厚度的。

②导入图案后先验证夹具的稳定性。

③调试过程中不能轻易修改设计好的线路,只要改动0.1mm都有可能会给后面的RF性能测试带来影响。

④参数的设置也很重要,能量与激光运行速度、频率设置的合理性以及显微镜下观察镭射后的表层不能有烧焦和能量不足带来的外观不良,这将会给后面化镀带来严重的影响,也将直接影响性能测试。

⑤当一个产品要用多个POS才能完成时,首先应考虑夹具旋转的角度,在程序里应设置为角度是从小到大或从大到小依次旋转,来节省加工时间提供生产效率。

⑥从设备光学Z轴与机械Z轴综合考虑多个POS机械Z轴值,尽量控制机械Z轴的运动最小范围。

⑦Hatch线的宽度在镭射效果允许的情况下尽可能的设置宽一点,(一般设置在0.03-0.05mm)以减少加工时间,提高生产效率。

⑧复杂的产品需要2个工作台才能完成的,尽量考虑将两边的加工图案分布均匀,合理安排镭射与拆装产品时间,做到人与机器在时间上互不相等,从而提高生产效率。

LDS尺寸公差,一般情况,线路与线路之间为± 0.1mm,线路到塑胶壳边缘为±0.15mm。

5.化学镀金属

已镭雕完成的素材到化镀线完成化镀过程;

(1)化镀前LDS产品储存要求

①镭雕好的产品应放置于湿度<60%的环境中,并尽快送至下一工序,如储存时间较长或湿度较大,应用塑料封存。

②禁止用手直接接触产品镭射面以防氧化。

③针对每款产品定制相对应的塑胶托盘,以防止产品在运输过程中挪动而将产品刮花。

(2)LDS产品化镀要求

①一般产品都是镀铜底再镍覆盖,部分产品应客户要求要镀金。

②镀层厚度一般为:Cu 6-12 μ 、Ni 2-4 μ 、Au O.1-0.2 μ。

③通过百格测试与盐雾测试来验证镀层是否脱落。

④镀层厚度一致性要好。

⑤无明显溢镀,尤其是线路与线路很窄的地方溢镀很容易出现短路。

⑥镀层表面不能有明显的脏污或镀层发黄、发暗等色差问题。

⑦镀层表面不能用手直接接触,以防氧化。

6. 喷涂等二次加工:

化镀后的成素材测试相关性能;例如百格测试,RF测试,保证产品性能,为后续的喷涂等二次加工做好准备。

①部分产品化镀后需要喷涂。

②喷涂厚度一般为:底漆4-5 μ 、面漆8-20 μ不等。

③喷涂后的部分产品如手机天线类的,还需组装一个扬声器配件类,然后将组装好的产品进行性能测试。

总的来说,LDS技术实现的关键因素包括三个,首要必须有对镭雕激光敏感的LDS专用料作为基材;二是电路设计及激光雕刻系统;最后是良好有效化镀系统及过程控制。

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