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全面屏时代净空区缩小,手机天线设计难题应这么破


自2007年iPhone问世以来的十年间,智能手机个头在不断变大,而其“罪魁祸首”就是屏幕尺寸增大所逼。

 

智能手机屏幕尺寸为何越来越大?

来看看屏幕的平均数据:智能手机的平均屏幕尺寸从3英寸扩大到4英寸花了5年时间,但从4英寸扩大到目前的5英寸只花了两年时间。

智能手机屏幕尺寸为何越来越大?
 

虽然这些年手机屏幕一直都有往大尺寸方向演进,但屏幕过大时不利于用户操作和体验,所以发展到5.5寸后,屏幕的尺寸增加开始缓慢。而到了2017年,全面屏手机开始受到厂商的关注。


相比普通手机,全面屏手机具备更窄的顶部和尾部的区域和更窄的边框。在整机大小不改变的情况下,减小手机屏的边框,长宽比例增大,增加屏占比,可以让用户拥有更大屏幕的使用体验。

从人机工程学的角度看:18:9会更符合单手操作,同时更大的屏幕可满足同时运行两款软件并分屏操作,近期Android 7.0版本,增加了系统底层对多窗口的技术支持,分屏操作会因为全面屏手机的推出而慢慢成为用户的习惯。


从整机尺寸的角度看:5.7寸的全面屏手机与普通5.2寸手机的整机尺寸比较接近,但显示区域大大增加,显示内容也更多,便于减少翻页次数,使操作更加便利。

全面屏的核心优势就在于超高的屏占比,不仅可以带来更好的视觉体验,同时外观也会显得更加简单漂亮。但全面屏也给手机整机带来了很多问题,如前置摄像头、指纹识别、   听筒 、距离传感器、甚至天线都需要跟进调整设计。而天线作为手机用于收发信号的重要部件,其所受影响也更大。

手机天线是全向,需要净空区

天线是接收和发送信号(电磁波)的设备,是无线通信最关键的零件。尽管天线的物理构成较为简单,但是其设计和构造复杂,涉及到手机内部环境的方方面面,需要考虑很多因素。

天线的方向性是指天线辐射的信号在特定方向上的强度。手机天线是全向天线,也就是说在天线横截面360°各方向的信号辐射强度相同,以实现最佳通信效果。要实现全向通信,手机内的天线周围需要足够开阔的空间,不能有屏蔽或干扰。
 
全向天线的辐射示意图
电磁波会被金属屏蔽,导电的金属能对电磁波产生反射、吸收、和抵消等作用,因此在设计天线时,应远离金属零部件,并避免接触其他降噪元件。同时,电磁波容易受到干扰。

电磁波干扰传输主要可以分为两种形式:传导传输式和辐射传输式。


传导传输式,即干扰源与天线之间有完整的电路连接,干扰信号通过这个连接电路传递到天线。这个传输电路可包括导线、电源、电阻、电感、电容等一系列元件。

辐射传输式,即干扰能量以电磁场的形式向空间发射,干扰形式主要包括三种:来自其他天线发射的信号(天线对天线耦合)、靠近电流的空间电磁场(场对线的耦合)、两股平行电流之间的感应(线对线的耦合)。
 
 
电磁波会被金属屏蔽

因此,手机天线设计时,不仅应远离金属元件,而且还应隔离电池、振荡器、屏蔽罩、摄像头等不相干的零部件,给天线留出一段干净的空间(简称净空,clearance),保证天线的全向通信效果。

在手机天线设计中,天线的净空是关键的考虑因素之一。通常而言,天线的环境设计要求总结如下:

金属类壳体、装饰、导电喷涂等应距离天线20mm以上,因为手机内置天线对其附近的介质比较敏感;

电池(含电连接座)与天线的距离应在5mm以上;

当采用天线RF双馈点是,RF与地焊盘的中心距应在4~5mm之间。

PIFA天线与单极天线两种手机天线方案的应用条件和部分性能比较
 

全面屏手机净空区域减小,天线设计难度提升

由于手机屏幕上下边框变得更窄,天线与金属中框的距离更近,“净空”比传统屏幕更少。另外全面屏手机受话器、摄像头等器件的影响需要更高的集成度,与天线的距离也更近,给天线留下的“净空”区域比传统屏幕更少,对射频挑战更高。

以前16:9的屏幕,最终给天线留下来的净空在7-9毫米(LCM背光模组到整机底端一般会有9mm左右的主净空),现在到18:9的屏幕时,留给天线的空间大概只有3-5毫米(如三星S8的LCM背光到整机底端只有不到5mm的主净空),甚至更窄。

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”,某知名射频厂商如是解释,“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。
 
可以说,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。

全面屏手机净空区域减小,天线设计问题如何突破

当前对于天线的解决方案分别有屏背后金属切除,LDS天线技术和整合天线与其他零件三种。对于全面屏下的天线的解决方案有两种思路,一种思路是扩大手机内部的净空区域,对应的解决方案为屏背后金属切除。第二种思路是减小天线所需的净空区域,对应的解决方案有LDS天线技术、整合天线与其他零件。
 
 
屏背后金属切除:增加手机内部净空区域
可以掏空角落部分的背板金属,以保证足够的净空。手机屏幕的最后一般会有一块金属背板,起到保护屏幕、散热等作用。天线一般安装在主板上,但由于金属背板的存在,其位置一般不能放置于屏幕后面。在全面屏时代下,可以将上下边框角落的金属背板挖掉,留出足够的空间供天线使用。不过,这种方式会导致屏幕的强度变低、并增加加工成本。
 
 
iPhone5s的金属屏幕背板
 

切除天线所在部分金属背板
此外,为了获得更好的天线空间,三环和顺络陶瓷盖板,以及信利的玻璃盖板则为手机天线设计提供了更好的环境。

解决全面屏天线设计问题,除终端厂商努力外,射频器件厂商也在不断地尝试,如: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。(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。
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