射频系列报告之一：小天线技术发展趋势

一、小天线里藏有大门道，技术创新驱动工业设计进步

1、小身材大作用，天线是电磁波进行传输的"灯塔"

无线电波构筑了现代通信系统的基础，虽然我们无法感受到它的存在，但它无时无刻不在影响我们的生活，而天线又是电磁波进行传输的核心元器件，它像一座"灯塔"一样，将我们和广阔的外部世界紧密联系在一起。从微小尺度看，在我们越来越依赖的智能手机中，就有移动通信天线、Wi-Fi/BT天线、GPS天线、NFC天线和无线充电线圈等；从宏大尺度看，刘慈欣在《三体》中用超群的想象力为我们描述了用于宇宙通信的引力波天线："天线是一个横放的圆柱体，有一千五百米长，直径五十多米，整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面，一半映着天空，一半映着华北平原。"

无论是宏观还是微观，天线的本质都是在电磁场基本原理下，通过电场和磁场的相互转换，完成电磁能量的辐射和接收。除早已成熟的无线通信技术之外，近年来移动支付、无线充电等前沿技术，底层原理仍然是利用电磁感应现象，实现能量的相互转换，因此天线的应用领域在不断扩大。

天线的应用领域非常广泛，本报告重点关注以智能手机、平板电脑、笔记本电脑和可穿戴设备为代表的消费电子领域，其中智能手机由于出货量大、技术更新换代快，作为典型应用深入讨论。

以三星最新的旗舰智能机S8+为例，内部除了集成传统的移动通信天线（配合高通骁龙835基带，支持4X4 MIMO）、无线连接天线（Wi-Fi、BT、GPS）、近场通信天线（NFC，Near Field Communication）以外，还集成了最先进的磁性安全传输线圈（MST，Magnetic Secure Transmission）和无线充电线圈。

从移动通信的角度看，由于对数据传输速率的持续追求，载波聚合（CA）技术和多输入多输出（MIMO）技术的应用更加广泛，骁龙835最高可支持4载波聚合，并可配合MIMO技术将最高下载速率扩展到1Gbps，从天线角度，除了两根主天线和两根分集（Diversity）天线以外，额外增加了一根用于载波聚合的主天线，未来随着5G技术的发展，天线数量会继续增加。

需要注意的是，三星S8+使用玻璃背板，不存在金属背板对电磁波的屏蔽现象，因此降低了天线的设计难度。由此可以引出移动终端天线的一个重要设计原则：天线的设计要配合系统整体方案，背板材料选择、内部空间规划等都会对天线的设计起到决定性作用。

2、小器件大创新，分立天线工艺不断进步

犹记得模拟通信的"大哥大"时代，手机天线也以霸气的外置形式存在，直到1999年，诺基亚3210才首次做到了将天线内置。

目前主流的内置分立天线工艺主要有FPC（Flexible Printed Circuits，柔性电路板）、LDS（Laser Direct Structuring，激光直接成型）。

FPC是一种具有高度可靠性的可挠性印刷电路板，主要特点是轻薄、弯折性好。在iPhone 3GS和之前的产品设计中，一直使用了FPC天线搭配支架的设计。

相比更为传统的的金属弹片配合塑料支架的设计，FPC天线可以缩短研发周期，具有较低的模具开发成本，同时由于FPC板上的金属图案易于修改，因此具有更好的设计灵活性，易于满足现代通信系统多模多频的需求，因此FPC天线在功能机向智能机发展的大潮中得到了广泛应用。

LDS天线是利用激光镭射技术，直接在模塑成型的塑料支架上进行化镀，形成金属天线图案。相比FPC天线，LDS天线由于采用了高精度的激光技术，因此性能更加稳定，一致性更好，当然，这也付出了成本更高的代价。此外，当手机使用塑料后盖时，LDS技术可以将天线整体性的镭射到后盖上面，从而大大节约手机内部空间，并且可以防止内部器件干扰。

3、金属后盖带来的天线挑战，质感提升源自技术创新

随着智能手机的渗透率不断提高，改善型的换机需求逐步替代了曾经的普及型需求，消费者对手机的品质要求越来越高，在苹果的引领下，更具质感的金属后盖成为了中高端智能手机的标配。但是，金属后盖对天线设计却十分不友好，因而手机天线近几年的发展史同时也是工程师与金属后盖不停抗争的血泪史。

本次天线革命源自iPhone 4，苹果对天线方案做了非常激进的改进，机身不锈钢边框被分成两段，分别成为Wi-Fi/BT/GPS天线和通信主天线。不锈钢边框上焊接了性状复杂的金属片，用于在不同通信模式和频段下进行匹配调谐。

然而，如此极富创新精神的设计却由于特定条件下的缺陷，导致了著名的"天线门"事件。苹果用户发现，当紧握手机下部时，会出现信号质量急剧下降的现象。这是由于人体皮肤有可能导致两段天线的连接处发生短路，使天线的频率特性出现偏移。"天线门"迫使乔布斯亲自站台做危机公