5G移动终端多天线技术

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书名：5G移动终端多天线技术

ISBN：978-7-115-64742-9

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版  权

著    邓长江  冯正和

责任编辑 郭 家

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

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读者服务热线：(010)81055410

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内 容 提 要

移动通信的飞速发展驱动着移动终端天线技术的持续创新。本书详细介绍移动终端天线的基础理论、设计方法和物理形态实现，内容从5G移动终端单天线到双天线和多天线，从单频段到双频段和多频段，从固定单波束到可变多波束，均有涉猎。本书在宽频段小型化天线、Sub-6 GHz天线、毫米波相控阵天线方面给出众多的设计实例，可为5G移动终端天线设计提供理论支撑和技术参考。

本书可作为高等院校电子信息工程、通信工程等专业师生的参考书，也可供移动终端天线研发工程师及无线通信领域的相关从业人员阅读。

电子信息前沿专著系列·第二期

学术委员会

 主任：郝跃，西安电子科技大学教授，中国科学院院士

 委员（以姓氏拼音排序）：

    陈建平 上海交通大学

    陈景东 西北工业大学

    高会军 哈尔滨工业大学

    黄庆安 东南大学

    纪越峰 北京邮电大学

    季向阳 清华大学

    吕卫锋 北京航空航天大学

    辛建国 北京理工大学

    尹建伟 浙江大学

    张怀武 电子科技大学

    张 兴 北京大学

    庄钊文 国防科技大学

    秘书长：张春福，西安电子科技大学教授

编辑出版委员会

 主任：陈英，中国电子学会副理事长兼秘书长、总部党委书记

    张立科，中国工信出版传媒集团有限责任公司副总经理

 委员：曹玉红，张春福，王威，荆博，韦毅，贺瑞君，郭家，杨凌，
      林舒媛，邓昱洲，顾慧毅

总  序

电子信息科学与技术是现代信息社会的基石，也是科技革命和产业变革的关键，其发展日新月异。近年来，我国电子信息科技和相关产业蓬勃发展，为社会、经济发展和向智能社会升级提供了强有力的支撑，但同时我国仍迫切需要进一步完善电子信息科技自主创新体系，切实提升原始创新能力，努力实现更多“从0到1”的原创性、基础性研究突破。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出，要发展壮大新一代信息技术等战略性新兴产业。面向未来，我们亟待在电子信息前沿领域重点发展方向上进行系统化建设，持续推出一批能代表学科前沿与发展趋势，展现关键技术突破的有创见、有影响的高水平学术专著，以推动相关领域的学术交流，促进学科发展，助力科技人才快速成长，建设战略科技领先人才后备军队伍。

为贯彻落实国家“科技强国”“人才强国”战略，进一步推动电子信息领域基础研究及技术的进步与创新，引导一线科研工作者树立学术理想、投身国家科技攻关、深入学术研究，人民邮电出版社联合中国电子学会、国务院学位委员会电子科学与技术学科评议组启动了“电子信息前沿青年学者出版工程”，科学评审、选拔优秀青年学者，建设“电子信息前沿专著系列”，计划分批出版约50册具有前沿性、开创性、突破性、引领性的原创学术专著，在电子信息领域持续总结、积累创新成果。“电子信息前沿青年学者出版工程”通过设立学术委员会和编辑出版委员会，以严谨的作者评审选拔机制和对作者学术写作的辅导、支持，实现对领域前沿的深刻把握和对未来发展的精准判断，从而保障系列图书的战略高度和前沿性。

“电子信息前沿专著系列”内容面向电子信息领域战略性、基础性、先导性的理论及应用。首期出版的10册学术专著，涵盖半导体器件、智能计算与数据分析、通信和信号及频谱技术等主题，包含清华大学、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学（深圳）、东南大学、北京理工大学、电子科技大学、吉林大学、南京邮电大学等高等院校国家重点实验室的原创研究成果。

第二期出版的9册学术专著，内容覆盖半导体器件、雷达及电磁超表面、无线通信及天线、数据中心光网络、数据存储等重要领域，汇聚了来自清华大学、西安电子科技大学、国防科技大学、空军工程大学、哈尔滨工业大学（深圳）、北京理工大学、北京邮电大学、北京交通大学等高等院校国家重点实验室或军队重点实验室的原创研究成果。

本系列图书的出版不仅体现了传播学术思想、积淀研究成果、指导实践应用等方面的价值，而且对电子信息领域的广大科研工作者具有示范性作用，可为其开展科研工作提供切实可行的参考。

希望本系列图书具有可持续发展的生命力，成为电子信息领域具有举足轻重影响力和开创性的典范，对我国电子信息产业的发展起到积极的促进作用，对加快重要原创成果的传播、助力科研团队建设及人才的培养、推动学科和行业的创新发展都有所助益。同时，我们也希望本系列图书的出版能激发更多科技人才、产业精英投身到我国电子信息产业中，共同推动我国电子信息产业高速、高质量发展。

2024年8月22日

前  言

以手机为代表的移动终端是移动互联网时代的主要载体。从1G到5G，移动终端天线的形态发生了巨大变化，从外置到内置，从厚到薄，从单天线到多天线，用于天线设计的净空尺寸也随屏占比的增加而减小。另外，天线的功能越来越强大，宽频段小型化天线、Sub-6 GHz天线、毫米波相控阵天线相继成为研究热点。5G移动终端设备的轻薄化、小型化趋势对天线的尺寸、精度等方面提出了更高的要求，从而给移动终端天线的设计带来了巨大挑战，也推动着天线技术不断创新和突破。

5G移动终端是一个复杂的天线微系统，终端内部布局的天线数量超过20个，如何布局、如何实现小型化设计、如何实现解耦、如何调控波束是在天线设计过程中需要解决的问题。模式分析提供了一个直观了解天线工作原理的窗口，多模式协同则是提高天线性能的重要方法。本书以模式为切入点，对单天线、双天线、多天线以及毫米波相控阵天线的模式进行了详细分析，并通过具体的设计实例阐述了多模式协同在带宽扩展、MIMO天线解耦、阵列波束扫描方面的应用。

本书第1章介绍了移动终端天线的发展，从天线结构、频段和数量方面的变化呈现了天线的演进，并以商业手机产品为例，分析了多天线系统的典型工作方式。第2章阐述了移动终端天线的基础理论，对天线基本参数、天线模式、典型移动终端天线形式、MIMO天线解耦原理、相控阵天线波束扫描原理进行了介绍，为后续设计提供理论支撑。第3章介绍了5G移动终端单天线设计的内容，具体阐述了Smith圆图和阻抗匹配方法，介绍了多种单天线的设计实例。第4章介绍了5G移动终端双天线设计的内容，针对Sub-3 GHz频段的解耦需求，介绍了基于特征模的900 MHz、1800 MHz频段的双天线设计实例。第5章介绍了5G移动终端多天线设计的内容，针对Sub-6 GHz频段的解耦需求，介绍了基于奇偶模理论的高隔离天线对、覆盖3300～6000 MHz频段的天线对、四单元聚合的多天线模块、覆盖3.5/4.9 GHz双频段的天线对等设计实例。第6章介绍了5G移动终端毫米波相控阵天线设计的内容，针对波束扫描需求，提出了双极化端射相控阵天线的小净空、单层介质基板的设计，探讨了双极化贴片相控阵天线、双极化介质棒相控阵天线、串馈波束扫描天线等在端射天线扫描方面的潜力，并分析了Sub-6 GHz天线与毫米波天线集成的设计。

本书的绝大部分设计实例来自作者多年的研究积累，在撰写过程中得到诸多国内外同行的大力支持，特此表示衷心感谢！特别感谢加拿大多伦多大学的Sean Victor Hum教授和美国密歇根大学的Kamal Sarabandi教授在本书撰写过程中给予的指导与帮助！感谢为整理和校对本书辛勤付出的研究生刘娣和朱瑀勍。感谢人民邮电出版社的郭家编辑在本书出版过程中给予的指导与帮助。

本书在撰写过程中广泛汲取了来自华为、荣耀、小米、OPPO、vivo等业界领先企业的天线工程师的宝贵建议，但在捕捉工业界深层次视角方面尚存探索空间，部分技术阐述距离实际工程应用还有一定距离。由于作者水平和经验有限，本书难免存在不足之处，恳请专家和读者批评指正。

邓长江

2024年6月

第1章　移动终端天线概述

本章首先介绍移动通信从1G到5G的发展历程；然后聚焦移动终端天线的演进过程，包括天线结构、天线频段和天线数量的变化，针对5G移动终端给出典型的多天线布局方案，系统归纳手机内多天线系统的典型工作方式；最后介绍几款手机天线产品实例。

1.1　移动通信的发展

电磁频谱资源作为独立于空间维度和时间维度的珍贵资源，在近100年实现了广泛的开发与应用。麦克斯韦在1864年推导出来的麦克斯韦方程组奠定了电磁场理论的基础，赫兹在1888年首次用实验证实了电磁波的存在，而马可尼在1901年进行的跨大西洋通信开启了通信方式的新纪元^[1-2]。自此，无线电技术的发展日新月异，并衍生出通信、导航、遥感等多种应用。这些应用极大地改变了人们的交流与沟通方式，增强了人们认知与改造自然的能力，改变了整个社会的生产与生活方式。在建设信息化社会的进程中，无线电技术仍将为国民经济和社会发展提供重要助力^[3]。

总的来说，电磁波有三大用途：一是作为传感器用于信号探测，比如雷达；二是作为信息载体用于传递数据，比如无线通信；三是作为能量载体用于传递能量，比如无线充电。在众多应用中，无线通信无疑是最耀眼的明珠之一。目前，无线通信已经衍生出许多专有的应用场景，比如移动通信、卫星通信等。不同的应用场景具有不同的需求和技术特征。比如，在卫星通信系统中，通信一方是在轨卫星，另一方是地面终端用户。尽管应用场景各不相同，但是它们都可简化为一个点对点通信模型。针对不同的应用场景，需要有针对性地设计发射端和接收端器件，并评估收发之间的无线信道的质量。

1.1.1　移动通信的特点

移动通信是无线通信的主要应用实现。移动通信典型应用场景如图1-1所示。移动通信系统包括基站、移动终端和无线信道这3部分。每个基站负责一定区域的信号覆盖，相邻基站之间通过频率复用实现服务无缝衔接。移动终端包括手机和平板计算机等便携设备，其中，手机的应用最广泛。当移动终端与基站进行通信时，两者之间就建立了电磁波的传播信道，即无线信道。这3部分的特点总结如下。

基站：位置不可移动，用于提供稳定的无线信号覆盖。根据覆盖距离的不同，可分为宏基站、微基站、直放站和室内分布系统等。由于基站位置固定，因此对成本和功耗的要求可适当放宽，侧重高性能的实现。一个基站通过时分复用、频分复用或码分复用等方式可同时服务多个终端用户。

移动终端：位置可任意移动，用于接入移动通信网络，强调机动性和便携性，对成本和功耗有严格限制，对尺寸和重量也有较强约束。在基站覆盖区域内，移动终端与单个基站建立稳定联系。在基站覆盖区域边缘，移动终端可同时接收多个基站发送的信号，一般通过软切换实现跨区服务切换。

无线信道：由于移动终端的位置可任意移动，移动通信系统的无线信道较复杂。电磁波的传播一般分为视线传播和非视线传播。视线传播信道较为简单，与自由空间中的电磁波传播信道类似，只需要考虑大气衰减。非视线传播信道包括反射路径、折射路径、衍射路径等，电磁波经过多条路径到达接收机时会产生信号的叠加或抵消。一般从时变、频率选择性等角度描述无线信道的特征。

图1-1　移动通信典型应用场景

由于信道传播环境一般是随时间变化、难以预估的，因此无线信道中的电磁波通常是无法调控的物理量。可重构智能超表面技术提供了一种主动改变信道的新型范式，在未来有较大潜力应用于6G，但如何充分挖掘其潜能仍有待进一步研究。在绝大部分情况下，能调控的物理量是基站侧和移动终端侧的电磁波。为了高效产生和接收电磁波，同时兼顾移动通信的特点，移动通信系统对基站和移动终端提出了不同的要求，具体的设备特性如表1-1所示。为了提高移动终端便携性，选择牺牲移动终端天线性能，而基站的空间较为充裕，可以选择提升基站天线性能来弥补移动终端天线性能下降所造成的损失，进而确保基站与移动终端之间可以建立稳定的无线信道。

表1-1　移动通信系统的设备特性

1.1.2　移动通信的标准划分

移动通信的使命是在全球范围内为人们提供良好的电磁信号覆盖。为了使全世界的移动终端用户都能无感接入移动通信网络，一个统一、通用的全球标准是不可缺少的。这个标准规定了信号的制式、工作频率、调制方式等参数。只要遵守了这个标准，不同品牌的终端都可接入同一个移动网络。这个工作目前由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）负责组织和协调。

从20世纪80年代移动通信大规模商用开始至今，移动通信共经历了5代标准的演进。每代标准跨度约10年，相比上一代均有较大的性能提升。图1-2展示了移动通信标准的演进。

图1-2　移动通信标准的演进

注：AMPS为Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统；

TACS为Total Access Communication System，全接入通信系统；

GSM为Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统；

CDMA为Code-Division Multiple Access，码分多址；

WCDMA为Wideband CDMA，宽带码分多址；

TD-SCDMA为Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址；

TD-LTE为Time-Division Long Term Evolution，时分长期演进技术；

FDD-LTE为Frequency-Division Duplex Long Term Evolution，频分双工长期演进技术。

1G：这一代移动通信主要解决移动通信从无到有的问题，典型代表是模拟蜂窝移动通信系统。主要标准有美国的AMPS和欧洲的TACS，并未形成世界范围内的标准。其中的关键技术是贝尔实验室提出的蜂窝网，它通过将整个网络划分为一个个蜂窝子网络实现了频率复用，大大提高了系统容量。2008年，美国关闭了AMPS，这标志着1G彻底退出了世界舞台。

2G：针对1G暴露出的频谱利用率低、业务种类有限等问题，2G采用数字通信技术替代模拟通信技术，主要标准有欧洲推出的GSM和美国推出的基于CDMA的IS-95（Interim Standard 95，临时标准-95）。2G主要提供语音服务，兼具短信和彩信收发功能，并首次具备了低速数据传输能力，是世界上第一个实现全球互联的移动通信标准。即便经过了30多年的发展，2G目前仍然是许多国家的主要通信标准之一，表现出了持久的生命力。

3G：在实现了语音服务之后，新的需求是在线浏览图片和文字等数据传输速率更快的互联网服务。3G的主要标准包括欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD-SCDMA。3G实现了移动通信和互联网的融合，具备无线上网功能以及更灵活的组网能力。然而，由于各个国家的标准不统一，且传输速率提升有限，无法满足多媒体的高速数据传输需求，3G在许多国家只是过渡性的标准，并未大规模推广。

4G：为了提供高速数据传输服务，结束多个同代制式相争的混乱局面，4G只有一个LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）标准，用于统一制定各种接口。相比3G，4G在许多方面都有相当大的改进。4G的核心网从电路域全面转向了IP（Internet Protocol，互联网协议）域，管理更加扁平化，无线频谱利用率得到了极大提升，以满足高速数据传输需求。4G网络不仅可以传输图片，而且具备视频实时传输能力，是当今世界的主流移动通信网络，也是移动互联网快速发展的基石。

5G：为了满足高速率、低时延和海量连接等多样化需求，5G的发展方向和场景更加多元化，它不仅要实现人与人之间的高速数据传输，还要满足人与物、物与物之间的高效通信。目前，5G在全世界已实现大规模商用，未来，它将在物联网、车联网、智慧医疗、智慧工厂、虚拟现实等多个领域取得突破，是目前正在推广的标准。

1.2　移动终端天线的演进

在移动通信系统中，天线是负责电磁波收发的核心器件，是连接有线电路与无线电波的桥梁，它的表现直接影响整个无线通信系统的性能。根据广泛采用的学术定义，天线是一种附有导行波与自由空间波互相转换区域的结构^[4]。这个定义表明天线是一种转换器件。天线的参数可以细分为两类：一类是电路特性参数，包括输入阻抗、驻波比、带宽等；另一类是辐射特性参数，包括增益、极化、波束宽度等。不同的需求和应用场景对天线参数的要求不尽相同，如移动通信系统侧重信号的空间覆盖，卫星通信系统侧重无线链路的可靠性，雷达系统则对天线的波束指向和副瓣非常敏感。这些需求和应用场景促进了天线形式的多样化发展，也推动着天线技术不断改进与创新。

移动通信系统中的天线可分为基站天线和移动终端天线两类。从1G到5G，这两类天线的形态和功能都发生了巨大的变化，以更好地满足移动通信的发展需求。需要说明的是，由于本书不涉及基站天线设计，相关内容不做展开。移动终端包括多种形式，如便携设备、嵌入式设备和可穿戴设备等。在本书中，如没有特别说明，移动终端均指手机，移动终端天线均指手机天线。本节将从天线的结构、频段和数量3个维度呈现手机这一典型移动终端的天线演进历程。

1.2.1　天线结构的变化

手机是日常生活中使用频率最高的电子设备之一。从1G到5G，手机天线的发展大致可划分为3个阶段，分别是外置天线阶段、内置天线阶段和共形天线阶段。图1-3展示了过去40年手机外观和尺寸的变化，从中可以了解手机天线的演进历程。从尺寸上看，手机经历了由大到小、再由小变大的变化过程，而且手机屏幕呈现出从无到有，屏幕占比越来越大，甚至发展为全面屏的趋势；从天线结构上看，手机天线从外置发展为内置、厚度由厚变薄。另外，对天线来说，屏幕可视为金属地板，天线通常需要远离金属地板才可以有效辐射电磁波。屏幕占比越大，可用于天线设计的净空（手机内的非金属区域）越小，天线设计遇到的挑战越大。

图1-3　手机外观和尺寸的变化

外置天线主要用于1G时代和2G时代早期。在那时，手机主要作为一种实用的通信工具，对其外形和尺寸没有特别的要求，典型的代表是20世纪90年代的手提电话（俗称“大哥大”）。外置天线的种类繁多，包括单极子天线、袖套天线、螺旋天线等^[5]。摩托罗拉公司于1983年推出了世界上首部商用手机DynaTAC 8000X，这款手机的天线采用外置的单极子天线形式，天线的长度为四分之一波长（指工作波长）。

从2G时代中后期开始，人们希望能够去掉外置天线，以提升手机的便携性和可靠性，手机天线逐步演进成内置天线。将手机天线从外置改为内置，不仅可以让整个设备的外形更美观，还可以降低因手机意外跌落或磕碰导致天线损坏的概率，提高结构的可靠性。然而，将天线尺寸减小并塞入手机内部，将导致天线性能的下降。不过这种代价对整个移动通信系统来说是可承受的——从2G时代起，世界范围内的移动通信网络建设越来越完善，基站数量越来越多，分布越来越密集，基站天线的性能越来越强，这些措施足以弥补移动终端天线性能下降所产生的损失。

内置天线的形式有较多选择，包括印刷单极子天线、IFA（Inverted-F Antenna，倒F天线）、PIFA（Planar Inverted-F Antenna，平面倒F天线）、槽天线、环天线等。诺基亚公司在2003年推出了流行功能型手机2100，手机天线采用了PIFA形式，天线置于手机的顶部。由于有外壳遮盖，已经无法看出天线的外观和尺寸。

随着人们对手机外观的要求越来越高，手机厚度越来越薄，屏幕越来越大，导致可用于天线设计的净空越来越小，手机天线朝着与机体共形的方向发展。统一规划天线设计与手机结构成为趋势，手机的金属边框和金属后盖作为天线的一部分，统一进行集成设计。新材料、新工艺使得手机天线具有更高的设计自由度。苹果公司推出的iPhone 4智能手机使用了金属边框作为手机天线，不仅机械强度高，而且外形美观。值得一提的是，这是金属边框首次用于天线设计，引领了手机天线的设计潮流，自此，金属边框成为手机天线的主辐射体。

1.2.2　天线频段的变化

随着人们的需求从低速率的语音通信升级到高速率的视频通信，移动通信的传输速率越来越高。根据香农公式，增大频谱带宽是提升信道容量和传输速率的重要方式。从1G到5G，每代标准都会划分一些新的移动通信频谱，以满足移动通信的发展需求。为了便于区分各频段，ITU指导下的3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织将移动通信的频率分为FR1（450～6000 MHz）和FR2（24.25～52.6 GHz）这两个频段，即我们熟悉的Sub-6 GHz频段和毫米波频段。基于不同业务或运营商，每个频段又可细分为若干个窄带的频段，具体的主要频段划分如表1-2和表1-3所示。

表1-2　FR1的主要频段划分

注：SUL为Supplementary Uplink，补充上行链路。

表1-3　FR2的主要频段划分

在表1-2中，FDD（Frequency-Division Duplex，频分双工）的上下行通过频率区分，TDD（Time-Division Duplex，时分双工）的上下行通过时隙区分。在3GPP组织成立前，欧洲国家和美国各自划分频段。到了4G时代，3GPP组织统一命名通信频段，称之为LTE频段，包括LTE700、LTE2300等。然而，由于各国划分的LTE频段不一致，3GPP组织在定义LTE频段时无法像GSM频段一样较为规整，所以只能定义LTE支持的频段列表，供各国的运营商、通信设备制造商等参考。到了5G时代，3GPP组织统一用N来标识各个频段，国内运营商一般习惯用B来标识频段，比如中国移动支持B41频段等。

对于手机天线设计来说，并不需要区分上行或下行以及发射或接收等，只需要确定手机天线需要覆盖多大的带宽和哪些频段。FR1和FR2频段可粗略地分为4个频段，即698～960 MHz（低频段）、1710～2690 MHz（中高频段）、3300～6000 MHz（高频段）以及24.25～29.5 GHz（毫米波频段）。手机天线的设计目标是在尽量小的净空内覆盖这些频段的一部分或全部频段，并且使得辐射效率尽可能高。

1.2.3　天线数量的变化

从1G到5G，虽然天线在手机整机中的总尺寸在减小，但手机内的天线数量在快速增加，这主要由以下3个方面的需求推动。

第一个方面是频段的增加。2G时代的频段包括824～960 MHz和1710～2170 MHz这两个频段，单个天线即可覆盖。而5G标准在兼容2G标准的基础上，增加了3300～6000 MHz频段，单个天线难以覆盖如此宽的频段。为了解决这个问题，可根据实际应用场景使用多个天线分别覆盖不同的频段。

第二个方面是新技术的应用。考虑到无线频谱是一种昂贵而有限的资源，单纯依靠增加频段来提升传输速率的方式受到越来越多的制约。在频段固定不变的条件下，从2G时代开始，一些新的技术被引入移动通信，典型的技术有多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术和相控阵技术。使用这些技术可以在基站和移动终端同时布置多个天线，通过增加空间维度的复杂度来提高频谱利用率。

第三个方面是多种功能的集成。随着用户需求的变化，手机已经从功能机时代迈入了智能机时代，成为一个智能集成多功能便携式平台。手机不仅具有通信这一功能，还具有拍照、游戏、导航等功能。不同的功能可能需要不同类型的天线，而且其对应的工作频段不相同，这使得天线数量进一步增加。

1.3　手机内多天线布局

一部手机可以视作一个微系统，集成了具有多种用途的模块。以无线传输这一用途为例，根据功能的不同，需要用到天线的模块包括移动蜂窝通信模块、Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真）模块、蓝牙模块、卫星导航模块、近场通信（Near Field Communication，NFC）模块、无线充电模块等。下面简单介绍这些模块。

移动蜂窝通信模块是手机天线设计中最复杂的模块，用于与基站建立通信。从1G到5G，移动蜂窝通信模块的天线需要支持的频段越来越宽，天线的数量也越来越多。手机内用于蜂窝通信的天线数量为6～14个。

Wi-Fi模块用于室内局域网，与无线路由器建立通信。Wi-Fi标准目前演进到了第7代，即IEEE 802.11be，工作频段是无须授权的工业频段，主要包括2.4 GHz频段和5 GHz频段。其中，2.4 GHz频段的频率范围是2.4～2.497 GHz，5 GHz频段的频率范围是5.15～5.85 GHz。由于工作频率较高、通信距离较短，Wi-Fi模块的天线数量较少。

蓝牙模块用于低成本、低功耗的近距离无线连接。蓝牙技术目前演进到了5.4版本。不同便携设备使用的蓝牙模块的工作频率有所区别，手机内蓝牙模块的工作频段是2.4 GHz频段。这个频段的蓝牙模块与Wi-Fi模块不仅共用同一个频段，还经常共用一个天线以节省天线空间。

卫星导航模块用于接收卫星信号，实现用户位置的实时定位。该模块的主流标准有美国的GPS（Global Positioning System，全球定位系统）[工作在1575.42 MHz频段（L1）和1176.45 MHz频段（L5）]、欧洲的“伽利略”系统（工作在1575.42 MHz频段）、俄罗斯的格洛纳斯系统（工作在1602 MHz频段），以及我国的北斗卫星导航系统（工作在1561 MHz频段）。由于卫星导航模块具有小带宽，而且一般只需具备接收能力，因此卫星导航模块的天线设计较为简单。随着手机直连卫星应用的兴起，更多的频段将被用于卫星通信。

近场通信模块用于超近距离非接触通信。最初由诺基亚和飞利浦等企业共同制定近场通信模块的标准，该模块工作在13.56 MHz频段。由于这个频段的波长非常长，手机内的近场通信天线属于电小尺寸天线，辐射能力非常弱，能够通过磁场感应实现电子支付、身份认证、数据交换、防伪等多种功能。

无线充电模块用于实现手机的无线充电功能。该模块的主流标准有Qi标准、PMA（Physical Medium Attachment，物理媒体连接）标准等。其中，Qi标准基于电磁感应原理，电磁波频率为100～205 kHz，适用于短距离的无线充电，其特点是兼容性强且传输效率高。目前市面上大部分无线充电产品都采用这一标准，该标准也是大众最熟悉的无线充电标准。

将这些模块组合在一起，便构成了一个多天线系统。手机内多天线的典型布局方案如图1-4所示。众多天线分布在手机平台内部各个位置。在这个典型的布局方案中，用于移动通信的众多天线主要分布在金属边框上，通过设置断点来有效辐射能量。其中，低频段天线的数量为2个，分别放置于手机的底部和侧壁；中高频段与新空口天线的数量为4个，分别放置于金属边框的4条边上；Wi-Fi天线的数量为2个，放置于手机的左上角；GPS天线的数量为1个，放置于手机的顶部；毫米波天线的数量为3个，放置于手机后盖内侧；超宽带天线的数量为3个，放置于手机后盖内侧；近场通信天线与无线充电线圈同样放置于手机后盖内侧。可见，这个典型布局方案中包含至少17个天线。目前移动通信已经演进到了5G时代，移动通信的工作频率更高、功能更广泛，手机内的移动蜂窝通信模块需要部署多个天线，才能实现高速无线数据传输和多功能应用。

图1-4　手机内多天线的典型布局方案

在这些功能模块中，Wi-Fi模块的天线与蓝牙模块的天线可共用，卫星导航模块的工作频段极窄，用一个小尺寸天线即可覆盖。因此，手机天线的设计难点在于覆盖移动蜂窝通信频段。基于此，本书主要介绍移动蜂窝通信模块中的天线设计。

1.4　多天线系统的典型工作方式

手机内的多个天线模块具有独立的功能，能够互不干扰地工作。对多天线系统来说，每种类型的天线在手机内的相对位置和净空大小基本固定。考虑到Wi-Fi模块、蓝牙模块、卫星导航模块、近场通信模块和无线充电模块的天线设计方案较为成熟，本节重点介绍用于4G/5G移动蜂窝通信模块的多天线系统的典型工作方式。

对于手机内移动蜂窝通信模块的多天线，根据频段不同可以将它们划分为3组独立工作的天线：第一组是覆盖698～960 MHz（低频段）和1710～2690 MHz（中高频段）的天线，第二组是覆盖3300～6000 MHz（高频段）的天线，第三组是覆盖24.25～29.5 GHz（毫米波频段）的天线。每一组天线都包含若干个天线，根据工作方式不同，同一组内的多个天线可以分为两类：一类是按照MIMO机制工作的多天线系统，另一类是按照相控阵机制工作的多天线系统。具体来说，第一组天线和第二组天线按照MIMO机制工作，第三组天线按照相控阵机制工作。

MIMO技术是近几十年来移动通信领域的重要技术之一，手机多天线与基站多天线构成的MIMO通信系统的工作原理如图1-5所示。和早期的单输入单输出系统相比，MIMO通信系统通过在基站端与手机端布置多个天线，使信道容量成倍增加，优势是不会占用更多频谱资源，也不需要增加天线发射功率。除此之外，5G相比4G新增了一些频段，这些频段的工作频率较高，对应天线单元的体积较小，便于在一个设备上实现MIMO天线的集成设计。

图1-5　MIMO通信系统的工作原理

然而，在手机天线中应用MIMO技术提升传输速率时需要克服一系列的技术难点。例如，由于手机内部空间有限，采用MIMO技术后工作在同一频段的天线数量增加，导致天线单元的距离过近，通常会引起较强的耦合，不仅难以起到增加信道容量的作用，甚至还可能影响天线的辐射效率。因而需要采用解耦方法降低天线单元间的耦合强度。此外，天线的小型化和宽频化始终是手机设计中追求的目标，而5G低频段天线的尺寸会比5G高频段天线的尺寸大得多，这也是在低频段使用MIMO技术需要克服的难题。

考虑到传统移动通信频段集中在6 GHz以下，已经非常拥挤，5G在传统频段基础上新开辟了毫米波频段，进一步提升无线传输速率。毫米波有一系列独特的性质，它既具有可用频段宽、毫米波器件尺寸小、波束指向性好等优点，也存在路径损耗大、毫米波器件输出功率小等缺点。如何利用毫米波的优点并弥补其缺点，激发了众多研究人员的研究兴趣。

相控阵技术是克服路径损耗大这一缺点的有效手段，在雷达系统中已经得到了广泛的应用，可在提升天线增益的同时实现大空域的动态覆盖。相控阵技术是指将多个相同形式的天线按照一定规则均匀排列成线性阵列或平面阵列，并为每个天线单元配备移相器来实时改变天线单元的馈电相位，具有不同相位的电磁波在空间中进行矢量叠加，使得合成后的信号强度增强或减弱，从而产生特定指向的高增益波束。由于每个天线单元是通过电控相位的方式切换波束的，故而将这样的天线命名为相控阵天线。相控阵技术具有功耗高、成本高、复杂度高等问题，早期并未应用到移动通信领域。随着高传输速率需求的增加、收发组件成本的下降以及毫米波频段的商用，5G开始引入相控阵技术，通过封装天线（Antenna-in-
Package，AiP）的形式实现高度集成。

在5G的典型场景中，基站端布设有大规模的天线，可根据用户数量和位置，产生相应数量的波束和波束指向。移动终端天线具有波束扫描能力，能够根据终端的位置和姿态实时调整波束指向，如图1-6所示。天线作为波束调控的关键部件，在5G移动通信系统中扮演核心器件的角色。尽管毫米波频段的天线标准尚未完全敲定，但业界已经在5G毫米波天线方面达成了一些共识^[6-7]。用于5G移动终端的毫米波天线需具有3个基本特征：高的增益、宽的波束扫描角和低的成本。毫米波的路径损耗大，在发射功率受限的条件下，要建立稳定的通信链路，5G移动终端的毫米波天线需具有高增益。增益的提高意味着波束宽度变窄，波束的覆盖范围变小。为了减小信号盲区，天线需具备波束扫描能力，以便动态调整波束指向。此外，终端天线是大规模使用的消费电子器件，任何成本的缩减都将带来可观的经济效益。因此，可宽角扫描的低成本毫米波天线对5G移动终端天线设计来说具有巨大吸引力。

图1-6　手机使用相控阵模块实现空间信号覆盖

1.5　工业界的手机产品实例

手机作为一种人们日常生活和生产中广泛使用的消费电子产品，其市场规模巨大，吸引了众多企业在这个领域开展投资和研发。天线作为手机内最关键的部件之一，在研发过程中受到了极大的重视。在移动通信标准的演进过程中，全世界涌现出了许多优秀的手机企业，产生了众多新颖的天线设计方案。根据分工不同，工业界从事手机天线研发的机构主要分为两种：一种是整机厂商；另一种是专业手机天线厂商。整机厂商的旗舰机往往代表了当前手机天线设计的最高水平。接下来介绍一些具有影响力的整机厂商。

摩托罗拉公司在移动通信的早期阶段扮演着举足轻重的角色，研发了一系列高性能的外置天线。然而，在移动通信发展的过程中，摩托罗拉手机业务在竞争中逐渐落后。

诺基亚公司是功能机时代的标杆企业，该公司在2G时代研制了多款畅销世界的手机产品，这些产品均采用内置天线方案。令人惋惜的是，诺基亚在手机从功能机转向智能机的过程中逐渐没落。

苹果公司是智能机时代的标杆企业，从2007年推出第一部智能手机开始，该公司迅速占领了巨大市场份额，至今仍是手机企业中的翘楚。苹果公司在手机天线领域进行了许多创新，率先推出了金属边框天线、分段式金属后盖天线等，引领了手机天线业务的发展。

从4G时代开始，国内的手机企业迅速成长，在手机从功能机向智能机的转变过程中抓住了机会，在手机市场中开始占据主导地位。目前，国内手机企业在全球的市场份额在50%左右，取得了巨大的成绩。有代表性的手机企业包括华为、荣耀、小米、OPPO、vivo等，这些企业在手机天线领域开展了深入研究，拥有广泛的专利布局。

图1-7所示是苹果公司推出的某型号手机天线布局。整个金属边框分为4个象限，分别为右上角的第一象限、左上角的第二象限、左下角的第三象限以及右下角的第四象限。天线序号的命名规则可基于象限逆时针编号，比如Ant11表示第一象限的第一个天线。从图1-7可知，该型号手机的金属边框共有6处断点，左右两侧断点呈现镜像对称，上下两侧断点呈现旋转对称。工作在5 GHz频段的Wi-Fi天线是第一象限的第一个天线，第二个天线由低中高频段（LMHB）天线和GPS的L1频段天线共用；第二象限的第一个天线为中高频段（MHB）天线、N77/N79频段（5G新频段）天线以及工作在2.4 GHz频段的Wi-Fi天线，第二个天线为GPS的L5频段天线；第三象限的第一个天线为5G新频段天线，第二个天线为低中高频段天线；第四象限的第一个天线为中高频段天线和工作在2.4 GHz频段的Wi-Fi天线，第二个天线为5G新频段天线。从这个天线布局可看出，天线的排布较为简洁，同频段大多布设有两个天线用于实现MIMO功能。

图1-7　苹果公司推出的某型号手机天线布局

图1-8所示是华为公司推出的某型号手机天线布局。从图1-8可知，该型号手机的金属边框共有7处断点。整个金属边框同样分为4个象限。第一象限的第一个天线覆盖中高频段和N78/N41频段，第二个天线覆盖低频段（LB），第三个天线覆盖中高频段和N78/N41频段，第四个天线覆盖Wi-Fi天线的5 GHz频段；第二象限的第一个天线覆盖GPS天线的L5频段，第二个天线覆盖Wi-Fi的5 GHz频段和N78频段，第三个天线覆盖GPS天线的L1频段、Wi-Fi天线的2.4 GHz频段以及B1/B3/B39频段，第四个天线覆盖N78/N41频段以及B38/B40/B41频段，第五个天线覆盖Wi-Fi天线的2.4 GHz频段和N41频段；第三象限只有一个天线，用于覆盖低频段；第四象限也只有一个天线，用于覆盖中高频段。从这个天线布局可看出，整个金属边框包括11个天线，第一象限和第二象限的利用率较高，分别布设有4个和5个天线。

图1-9所示是vivo公司推出的某型号手机天线布局。从图1-9可知，该型号手机的金属边框共有7处断点。第一象限包含3个天线，分别是低频段天线、中高频段和5G新频段天线、中高频段天线；第二象限包含3个天线，分别是Wi-Fi天线和GPS天线、Wi-Fi天线、中高频段和5G新频段天线；第三象限包含1个中高频段天线；第四象限包含1个低频段天线。此外，在后盖内侧还布设有2个5G新频段天线，用于提供更多MIMO通道。

图1-8　华为公司推出的某型号手机天线布局

图1-9　vivo公司推出的某型号手机天线布局

参考文献

[1]　RAMSAY J. Highlights of antenna history[J]. IEEE Communications Magazine, 1981, 19(5): 4-8.

[2]　BALANIS C A. Antenna theory: a review[J]. Proceedings of the IEEE, 2002, 80(1): 7-23.

[3]　张洋，邢峰，陆承杰．无线通信技术的发展与展望[J]．硅谷，2010 (23): 1.

[4]　KRAUS J D, MARHEFKA R J. 天线[M]．3版．章文勋，译．北京：电子工业出版社，2006.

[5]　ZHANG Z. Antenna design for mobile devices[M]. Hoboken: John Wiley & Sons, 2017.

[6]　ZHANG J, GE X, LI Q, et al. 5G millimeter-wave antenna array: design and challenges[J]. IEEE Wireless Communications, 2017, 24(2): 106-112.

[7]　HONG W, BAEK K H, KO S. Millimeter-wave 5G antennas for smartphones: overview and experimental demonstration[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65(12): 6250-6261.