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【深度好文】一文看懂5G、天线、后盖的关系

2017-09-23 5G 天线 后盖


重要结论:

1、5G分为低频和高频,国内低频进展快

25G低频对手机天线、后盖的影响都不大

3、5G高频天线变化巨大,放在手机内部,则后盖最好用非金属

4、相比于频率提升带来的损耗而言,陶瓷玻璃等介质对电磁波的损耗非常小

5、5G天线可提高增益以及采用波束成形等技术,解决损耗问题

6、5G低频,塑料玻璃陶瓷后盖都可以用

7、5G高频,传播损耗骤增需要多种5G技术解决,后盖材料问题不是主要考虑的因素。现有天线方案,塑料陶瓷玻璃要是能用都能用,不能用就都不能用,没有讨论的意义。

8、如果要用无线充电,手机后盖最好用非金属

9、陶瓷玻璃都可以应用于无线充电

10、陶瓷力学性能优异、手感好,未来有望成为主流方案之一

5G是什么?

5G是第五代(5th Generation )移动通信的简称,不是5G流量的5G,也不是说频率5GHz的5G。

相比于4G,5G的各项参数都有质的飞跃,简单点说就是又好(移动时或者人多时信号照样好)又快(速度快没延迟)又省(省电)。

5G有多快?给个直观感受,那就是1秒钟可以下载一部高清电影!

具体参数见下表

5G选用什么频段?

目前来说,国际国内主流规划的5G频段可分为5G低频频段和5G高频频段。

5G低频频段:主要是指6GHz以下的频段。

近日,我国工信部发布意见稿表明,

3.3G-3.40GHz频段基本被确认为5G频段,原则上限于室内使用;

4.8G-5.0GHz频段,具体的频率分配使用根据运营商的需求而定。

新增4.4G-4.5GHz频段,但不能对其他相关无线电业务造成有害干扰。

5G高频频段:主要是指20GHz以上的频段。

我国主要在24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见,国际上主要使用28GHz进行试验。

为什么5G分为低频和高频呢?
 

这个问题得慢慢道来,也可以跳过直接看结论

首先看看手机之间是如何进行通信的?

有线的部分就不多说了,主要说无线的部分。

手机和基站之间是通过一种叫电磁波的东西进行通信的。

 

电磁波是什么呢?

其实平时听说的红外、紫外、激光,还包括太阳光等等带光字的,不管人眼能不能看见的都是电磁波。

电磁波主要有3个参数:振幅、频率和波长。振幅主要表征的是电磁波的强度大小,先不多说了。

频率和波长有个神奇的公式:

光速是不变的,所以频率和波长是一一对应的,知道一个就能求出另外一个。

因此,频率或者波长相当于是电磁波独特的标记。

频段是什么?

用电磁波进行无线通信的地方有很多的,比如军用雷达、电视、广播、手机、wifi等等都是采用电磁波传输数据,只不过频率不同。频率相同的话,就会出现干扰,所以频率是一个稀缺性资源,被占用了就没有了。

一般来说,不同用途的电磁波频率是有一个范围的,比如3MHz-30MHz,这个范围叫做频段(也叫做频谱资源),

而这个频段的上下限之差就是所说的带宽,比如3MHz-30MHz,这个带宽就是27M。

在特定的一个用途中,比如电视机的使用的电磁波是处于在一个频段里面的,这个频段继续划分成更小的频段,则对应单个频道比如CCTV1。

 

手机同样如此,移动电信联通都有各自的频段的,移动2G3G4G也是对应不同的频段。

例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”,其实就是工作频段900MHz和800MHz的意思。

目前国内主流的4G频段在1.8GHz-2.7GHz之间。

为什么从1G5G,使用的频率越来越高?

最简单直接的回答是:因为低频率的频段基本都被占用完了,只能往高频的划分了。

为什么频率越高,速度越快?

因为高频率下的频带还没被划分,可以用的带宽高。

可以把带宽比作路宽,路越宽可以分的车道(信道)就越多,网络速度比作总的车流量,所以车道越多总的车流量越大。

当然,影响总的车流量的因素还有很多,在下面会详细解释。

逻辑1:频率高→频带未占用→带宽高→信道多→速度快

频率是不是越高越好呢?

当然不是的,根据上文提到的公式:频率越高,波长越短

波长越短,电磁波就越趋近于直线传播(绕射能力越差)。

比如激光笔(波长635nm左右),射出的光是直线,挡住了就过不去了,也就无法进行信号传输了。

此外,频率越高,传播过程中的衰减也越大,这点后面还会详细解释。

绕射能力差,单个基站信号覆盖的范围就越小,所以为确保信号覆盖,基站的数量就要增加。

逻辑2:频率高→波长短→绕射能力差→基站覆盖范围小→基站数量增加→成本提高

逻辑1:频率高→频带未占用→带宽高→信道多→速度快

两个结合起来看,就明白了:因为低频和高频各有优缺点。

5G低频下,速度提升较小,成本提升也较小,

5G高频下,速度提升较高,成本提升也较高。

当然,5G的速度和成本也不单单是频率影响的,可以利用新型多址、波束成形、MIMO、载波聚合等众多技术提高频谱的效率,有望在提升速度的同时有效控制好成本。

关于具体的技术就不详细展开了,可以用车流量的比喻来简单理解各项技术。

 

毫米波是什么?
 

如果按频率28GHz来算:

波长将达到10mm的级别,也就是毫米波。

 

因此,毫米波只是在5G高频频段才会出现,而在5G低频频段,波长在6-10cm左右,和现今的4G频率下的波长11-16cm差异不大,仍属于厘米级别。

为什么要关注波长呢?


因为电磁波的接收和发送是要通过天线来进行的,而根据远距离通信(距离远大于波长)天线设计的原理,天线的长度理论上是1/4波长或者1/2波长,可以使效率最大化。

 

而除了通常的2G、3G、4G通信是需要天线,手机中的WIFI、蓝牙、gps功能也都需要天线的。wifi的工作频率在2.4-2.4835GHz和5.150-5.850GHz之间,蓝牙的频率在2.402G-2.480G之间

根据:频率→波长→天线长度的推导关系,可以发现目前的通信主天线、WIFI、蓝牙天线的长度基本都在几个cm左右,包括5G低频阶段,天线的长度还在1.5-2.5cm

注:频段为一个范围,表中只给了一个近似值,并不是精确值

NFC和无线充电的天线超级长?

传统天线工作距离远大于工作波长,工作于远场区,比如手机天线,需要接收几百米直到十几公里外的基站信号。

而手机NFC有一个标准的频率为13.56MHz、无线充电频率为22KHz和13.56MHz,这两种功能也需要天线(线圈),但这种两种天线工作于近场耦合区(工作距离远小于工作波长),原理是基于电场耦合,电磁感应或者磁共振。因此天线长度和波长关系不大,而是线圈的面积和匝数影响较大。

NFC2.4GHz天线和普通的蓝牙wifi天线长度差不多,NFC2.4GHz工作范围要比13.56MHz大得多,因此安全上会存在些问题。

目前applepay等支持的是NFC2.4GHz,三星pay和银联用的是13.56MHz。

手机中天线的长度是如何测量的?

手机中天线算的是两点间的导线周长(无相交点),而不是两个端点直接的直线距离。

手机里各种天线长什么样子?


先看下三星S8的天线,有个概念:手机中有各式各样的天线。

 

对于通信(主)天线,随着1G、2G、3G、4G的发展,频率越高,波长越短,天线也越来越短,设计从以前大哥大的外置式,到目前主流的内置式或者用金属中框当做天线。

外置式的其实就是一根金属线,已经成为老古董了,就不多解释了。

内置式主要分为3种工艺:FPCLDS金属中框

简单点说:

PFC: 就是用塑料膜中间夹着铜薄膜做成的导线

第一代iPhone到iPhone3G、iPhone3GS,均采用了FPC天线设计结构。

LDS:就是在塑料支架上用激光刻出形状后,再电镀上金属形成的。

三星s9除了NFC无线充电都是用的LDS方案的。NFC使用的是FPC方案。

左图是FPC天线,右侧是LDS天线

无线充电使用的是FPC+扁平线圈组成的,关于无线充电的方案又分为FPC、扁平线圈、密绕线圈,就不展开详细说了。

金属中框:就是把手机的金属框部分当做天线

iPhone 4开始使用中框方案,

因为不同天线的长度有不同的要求,所以把中框间隔开来进行设计

iphone6看似一体的的金属后壳,使用塑料填充,其实是被切分成A/BCD/E三段,A、E分别为上部分天线和下半部分天线,中间BCD部分是相互导通的,充当天线接地部分。

iPhone6上半部分有通信副天线、双频WLAN、蓝牙、GPS、NFC等功能。

iPhone 6下半部分有通信主天线。

5G对手机天线有什么影响?


这得分5G低频还是高频来看,

5G低频→MIMO技术→天线数量增加→空间、设计难度增加

前面说过,5G低频的时候,5G天线的长度和4G差别不大,那就是没有影响了么?

有还是有的,虽然对长度影响不大,但是为了达到更高的速度,5G会多用几根天线,就是MIMO技术,比如三星的4x4MIMO其实就是指发射端4根天线,手机端4根天线,

这样来看,5G低频下主要是天线数量的增加,而多个天线之间的位置形状需要好好设计,这样才能达到更好的效率。

 

5G高频→天线阵列(大小、形式变化)→天线需要重新设计

5G高频呢,这时天线大小降低到几个毫米了,电磁波的频率非常高,在空气中传播衰减较快,

为了减少衰减,目前主流的方案是计划采用4x4或者8x8的阵列天线。

此外,为降低衰减还需要减少走线长度,最好的解决方案是天线和芯片紧靠在一起,每个天线配一个小芯片,甚至不排除未来天线会集成到芯片内部的可能性。

这样有两个好处:

第一个很好理解,和5G低频一样,阵列的话数量增加了,就是MIMO技术。

第二个好处是可以做波束成形,这个不好理解,打个比方,就是之前的信号相当于电灯泡,是发散光到整个空间的,而波束成形就是把电灯泡变成手电筒,这样所有的光线就会朝一个方向了。

 

天线和手机后盖又有什么关系呢?
 

我们都知道,金属对电磁波有屏蔽作用的

如果电线放在金属板后面,电磁波从一面辐射而来,大部分能量被反射,小部分能量进入金属,该电磁波会随进入金属的深度成e指数衰减(能量转化为表面电流)。

对于同一频率电磁波,电导率越高,衰减越快。

对于相同金属材料,电磁波频率越高,衰减越快。

所以,天线绝对不可以放在金属板后面的。

比如,iphone3 的后盖银色的上半部分是金属,下面部分是塑料。为什么要用塑料,就是为了在后面放天线的,

iPhone 3G、iPhone3GS多了对3G网络的支持,为确保无线信号稳定传输,两者也都采用了塑料外壳。

而iPhone5,为了确保信号稳定,iPhone5金属后背采用三段式设计,上下两部分是陶瓷玻璃,这也是为防止金属屏蔽电磁波。

那为什么iphone6后盖是全金属的呢?

上文提到了苹果从iphone4开始把中框做成了天线,iphone6金属后盖后面是没有天线的!

因此,天线是从设计上是不能被金属后盖挡住的。

上面提到的要么天线放背面,不采用金属后盖或者部分不使用金属后盖;要么使用金属后盖,天线不放在背面。

使用金属后盖的话,目前主流的后盖设计是iphone5类型的三段式、或者iphone6或7类型的注塑条形。

然而,目前采用iphone6类型的注塑条形后盖的手机,想要做到双天线还带NFC,技术非常难。

目前来说只有iphone实现了,而魅族的pro6虽然号称实现了,但实际的NFC功能并不完善。

日本村田设计了申请了一款新的专利,在摄像头上面开槽,实现了在摄像头处放置13.56MHz的NFC线圈。

 

 

5G天线,会对手机后盖有影响么?

5G低频下,天线数量增多,对天线的设计难度提升了,这是肯定的。

如果使用金属后盖,以iphone6、7为例,上下部分已经放置了很多根天线,再增加2跟天线,设计难度肯定加大,但天线的形式未发生根本性的变化,设计难度应该在可接受的范围内。

当然,如果是非金属后盖,比如三星s8,用LDS方案,4x4mimo天线空间上问题就不存在,设计上难度更小。

5G高频,如果用4x4或者8x8的阵列天线,这时天线的数量和形式发生了根本性的变化,需要重新设计。

单个天线几毫米,4x4mimo天线大小为10mmx10mm的正方形,如果放在手机厚度方向上,是不行的,所以只能放在背面上,因此阵列天线处的背板一定不可以是金属,要么采用金属后盖开窗的方案,要么使用非金属后盖。

随着无线充电即将普及,手机上再上无线充电线圈的话,那么手机后盖只能采用非金属了。比如三星s8就是使用的玻璃后盖,既实现了4x4mimo天线,也加入了无线充电线圈。

非金属后盖塑料、玻璃还是陶瓷?

之前我们提到,金属会对电磁波有屏蔽作用,iphone3使用了塑料,iPhone4使用了玻璃,iphone5使用了陶瓷来防止金属屏蔽,因此至少在4G时代塑料、玻璃、陶瓷后盖都是被证明可行的。

目前非金属后盖中,全塑料后盖逐渐成为过去时,一般只用在低端机上;

全玻璃后盖是主流方案,包括S8以及将要推出的iphone8都是用的玻璃方案;

全陶瓷后盖是新鲜事物,目前只用于小米5尊享版、小米mix以及即将发布的小米mix2中使用,还有安卓之父设计的手机也是采用了陶瓷后盖。

陶瓷凭借其优异的性能和手感,有望成为手机后盖主流方案之一。

以上还是站在目前的4G的时代来讲,那么5G时代呢?

4G时代,塑料玻璃陶瓷对电磁波的损耗都很小,所以都可以使用。

但是材料对电磁波的损耗是和频率成正比的,频率越高,损耗越大。

损耗指的是能量变小,除了损耗,还有减慢,也就是波的相位变化。

5G电磁波在真空中传播损耗已经很大了

传播损耗仅考虑由能量扩散引起的损耗,其大小只与电磁波本身的频率F,传播的距离D有关

电磁波在真空中传播的损耗公式:L=32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km),F为频率,D为距离,

由上式可见,真空中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离d有关,当f或d增大一倍时,L将分别增加6dB。

dB=10log(A/B)是功率之比。dB越大,意味着距离A处的功率比B处的大的多,A和B之间的距离d越大,A到B之间的损耗越大。

反过来推断,无线传输损耗每增加6dB,传送距离减小一倍。

5G低频下,相比4G频率增加了约1倍,真空损耗增加了约6dB,将导致传送距离减小一倍

5G高频下,相比4G频率增加了约10倍,真空损耗相比4G增加了20dB,将导致传送距离不到4G1/8

这还只是理想真空下,实际应用中传播损耗要比这大的多。

那么玻璃、陶瓷对电磁波产生的介质损耗有多大呢?

对于一般材料而言,介电性能可以用复介电常数ε表示,ε'称为ε实部,表征了材料极化程度或储能容量;ε″为ε虚部,表征了材料的极化损耗。

但实际应用当中,常常采用tgδ,即复ε虚部和实部的比值来定量描述电介质的损耗。

对于陶瓷而言,

该论文证明了在8.2~12.4Ghz情况下,陶瓷的介质损耗基本为零!!!
论文链接:http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXYB200803009.htm

 

对于玻璃而言

该论文证明了不同12mm厚的玻璃的介质损耗有所不同!!!
论文链接:http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XDDX201412010.htm

 

虽然以上两篇论文不能完全说明问题,但至少可以说明玻璃陶瓷对电磁波损耗的影响远远小于频率提升带来的影响。

5G不管是低频还是高频,都会带来电磁损耗的提升,如果频率带来的大损耗都能解决,那么还会在意手机陶瓷玻璃后盖这点微小的影响么?

看问题,不应该抓小放大,反客为主,而应该从整体的角度思考,这样才能看到问题的本质。

有损耗,也有方法增益!

以上介绍的是最理想、没有使用其他技术的情况下电磁波传播带来的损耗,实际上,在天线发射端,通过对天线的设计如半波阵子、多个半波阵子并列等方法,可以实现对天线进行增益,就是增加其dB值的,所以,增益越大,传输的越远。

我们常见的无线路由器天线增益一般为3dB和5dB,一些主打穿墙能力突出的产品则采用了7dBi增益的无线天线。

 

另外,之前提到的波束成形技术,是一种让无线路由器发射端根据接收端位置进行定向发射的技术,通过多条路径传输,在接收端采用一定的算法对多个天线收到的信号进行处理,明显改善了接收端的信噪比,使得即使在接收端距离发射端较远的情况下,也能获得不错的信号强度。

从目前5G的进展来看,5G低频的频率增加的幅度还好,传播损耗的问题也可以解决,而塑料陶瓷玻璃带来的损耗影响是不用考虑的,都可以使用。

5G高频的频率增加一个数量级后,传播损耗骤增,这个问题才是首要的。

 

这个问题的解决,就不是说一个手机后盖是使用塑料还是玻璃或者陶瓷就能解决的,当然金属是不可能的。

 

而是需要各种5G技术比如增加带宽、新型多址、波束成形、载波聚合、高阶MIMOC-RAN结构等技术来实现的,这些技术也都是经过多次论证而留下的主流技术方案。

 

再看一下这张图

 

最后总结一下:

1、5G分为低频和高频,国内低频进展快

25G低频对手机天线、后盖的影响都不大

3、5G高频天线变化巨大,放在手机内部,则后盖最好用非金属

4、相比于频率提升带来的损耗而言,陶瓷玻璃等介质对电磁波的损耗非常小

5、5G天线可提高增益以及采用波束成形等技术,解决损耗问题

6、5G低频,塑料玻璃陶瓷后盖都可以用

7、5G高频,传播损耗骤增需要多种5G技术解决,后盖材料问题不是主要考虑的因素。现有天线方案,塑料陶瓷玻璃要是能用都能用,不能用就都不能用,没有讨论的意义。

8、如果要用无线充电,手机后盖最好用非金属

9、陶瓷玻璃都可以应用于无线充电

10、陶瓷力学性能优异、手感好,未来有望成为主流方案之一

 

后话,材料的性能并不是一成不变的,科学家们会通过各种方法来改变材料的性质,比如碳材料,普通的石墨、石墨烯、碳纳米管、金刚石、富勒烯本质上都是碳这种元素组成的,但它们的性能有天壤之别。

对于玻璃、陶瓷更是如此,玻璃、陶瓷是混合物、非晶体,其微观组织、成分、结构的变化都会对其性能有较大的变化,甚至可以和其他材料一起做成复合材料,比如在铝合金里面长陶瓷的金属基复合材料,这都是可以实现的,而且已经在航空航天中应用了。当然科学家也不是万能的,需要一点点进步的。

说这么多的意思就是想说明,陶瓷玻璃的性能并不是一成不变的,在大的方向上确定可以使用,小的细节上是可以通过技术手段进行调节的。

因此,我为陶瓷打call!
来源:东吴电子王莉、杨明辉团队

参考资料:滤波器公众号、雷锋网、中关村、知乎、电子发烧友、知网等互联网公开资料。

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