在《你知道一個(gè)手機(jī)究竟有多少種無線通信系統(tǒng)嗎？》我們根據(jù)手機(jī)的規(guī)格參數(shù)分析了現(xiàn)在手機(jī)所能夠支持的無線通信系統(tǒng)?，F(xiàn)在的智能手機(jī)居然能夠支持多達(dá)多達(dá)七種無線通信系統(tǒng)，并且每一種又包括很多個(gè)無線頻段。就單單蜂窩通信這種手機(jī)最基本的無線功能，也多達(dá) 60 多個(gè)頻段，涵蓋 2G，3G，4G，5G。不得不說，現(xiàn)在的智能手機(jī)真的是電子設(shè)備中最精華的設(shè)計(jì)，用最高的芯片制造工藝，支持著最復(fù)雜的無線環(huán)境，而且還超級(jí)牛的照相機(jī)，游戲機(jī)，影音播放機(jī)。
不得不為我們通信人豎起大拇指，點(diǎn)個(gè)大大的贊。
上圖是一個(gè)智能手機(jī)的功能示意圖，現(xiàn)在芯片技術(shù)的發(fā)展，讓一個(gè)手機(jī)在小小的體積內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的功能。無線射頻收發(fā)模塊也集成在了幾個(gè)小小的 RFIC 內(nèi)，可是天線怎么辦？這種與電磁波波長(zhǎng)強(qiáng)相關(guān)的射頻器件，是很難縮小到 IC 中的，并且還要支持如此多的頻段。
我們今天一起來探究一下，手機(jī)天線到底是如何一點(diǎn)一點(diǎn)縮小到手機(jī)里的呢？
No.1 、最初的手機(jī)天線
最早的手機(jī)天線是什么樣的呢？首先最早的手機(jī)天線肯定是用在最早的手機(jī)上的。在 2023 年巴塞羅那通信展上，GLOMO 個(gè)人終身成就獎(jiǎng)的獲得者 Martin Copper 就是現(xiàn)在手機(jī)的發(fā)明人，而第一款真正意義上的手機(jī)就是下圖馬丁老爺子面前的這幾款大哥大。馬丁老爺子就是在摩托羅拉實(shí)驗(yàn)室打通了第一個(gè)移動(dòng)電話。
看到不，大哥大腦袋上頂著的那根長(zhǎng)長(zhǎng)的桿子就是第一款手機(jī)天線，學(xué)名叫做單極子天線，俗名叫做鞭狀天線。
單極子天線是最最最古老的天線形式之一，在馬可尼的跨大西洋通信中就是應(yīng)用了單極子天線。馬可尼應(yīng)用的發(fā)射天線是從 48m 高的橫掛線斜拉下 50 根銅導(dǎo)線形成的扇形結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為是第一副實(shí)用的單極天線，震蕩源是 70Hz 的火花發(fā)生器，隨后又利用 4 座木塔架設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)構(gòu)成方形單錐天線，如圖所示，發(fā)射波長(zhǎng) 1000m。
而后，隨著無線電工作頻率的升高，電磁波波長(zhǎng)也越來越短，單極子天線的個(gè)頭就越來越小，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，單極子天線都是無線設(shè)備的一種常用天線。
在 1944 年，摩托羅拉申請(qǐng)的第一個(gè)可移動(dòng)通信設(shè)備的專利（專利號(hào)：US2439411A）中，單極子天線就出現(xiàn)在了專利申請(qǐng)書上，而這個(gè)專利是不是很像后來的大哥大。
單極子天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)諧方便，尺寸僅僅是相同工作頻率的偶極子天線的一半，其工作原理圖如下圖所示，一個(gè)可等效為無限大的地將單極子天線的獨(dú)臂通過鏡像的方式實(shí)現(xiàn)偶極子天線的雙臂輻射。
如果單極子天線的地為無窮大的話，其輻射方向性圖也相當(dāng)于偶極子的一半。
但是移動(dòng)設(shè)備不可能提供一個(gè)無窮大的地，所以單極子天線的實(shí)際方向性圖會(huì)變化。下面是我們利用仿真軟件通過改變單極子天線的地的大小得到的天線方向性圖，是不是很奇怪，隨著單極子天線的地越來越小，它的方向性圖會(huì)變得越來越接近偶極子。
這種垂直于地面的單極子天線在水平方向上可提供一個(gè)完美的全向輻射方向圖，非常有利于手機(jī)的應(yīng)用。但是在垂直方向上就不好了，尤其是在軸線上，有一個(gè)大大的輻射凹坑，信號(hào)根本就不往這個(gè)凹坑里面走。所以，一定不能把家里的 WiFi 天線正對(duì)著你的手機(jī)......
但是大大的個(gè)頭是在是太影響美觀了，于是工程師們就想著如何進(jìn)行單極子小型化，比較常見的方案是把單極子的輻射線做成螺旋狀的來壓縮天線的體積。抑或是做成拉伸結(jié)構(gòu)的，不用的時(shí)候就縮起來。
這種利用螺旋線來縮小單極子天線尺寸的方式也曾廣泛地應(yīng)用在手機(jī)中。比如早期的摩托羅拉手機(jī)和諾基亞手機(jī)，天線就變成了一個(gè)小蘿卜頭的樣子。
那能否把單極子天線折起來，直接封裝在手機(jī)里面呢？
No.2 看不見的手機(jī)天線
單極子天線豎起來能用，那么折起來能用嗎? 所以就有了人工改造單極子的第一步。
同軸單極子天線能否做成微帶單極子天線呢？當(dāng)然是可以的，并且微帶單極子還可以掰彎，做成倒 L 形狀的單極子。
我們知道，偶極子天線的特征阻抗為 73.1 歐姆，單極子天線的特征阻抗為偶極子的一半，約為 36.5 歐姆，在設(shè)計(jì)過程中需要匹配倒我們通常用到的 50 歐姆饋線阻抗中。為了進(jìn)一步改善倒 L 單極子的阻抗匹配，天線工程師們?cè)诘?L 的饋電前面增加了一個(gè)接地點(diǎn)，做成了一個(gè)倒 F 形狀的天線，也就是常見到的 IFA 天線。進(jìn)一步把 IFA 的輻射部分用平板來實(shí)現(xiàn)，來改善天線的帶寬，就出現(xiàn)了平面倒 F 天線 PIFA。
下圖展現(xiàn)了單極子天線的一個(gè)演化過程。
下圖是平面倒 F 天線的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，單極子的輻射單元進(jìn)化成了一個(gè)大大的輻射片，放置在天線地的上方，在饋電點(diǎn)附近的一個(gè)位置通過一個(gè)短路過孔實(shí)現(xiàn)輻射片的短路，來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。平面倒 F 天線需要一個(gè)比較厚的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，在諾基亞手機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)代的摩托羅拉手機(jī)還是比較熱衷于倒 L 或者 IFA 天線，這可能也是摩托羅拉手機(jī)一貫比諾基亞薄的一個(gè)因素之一吧。
諾基亞 3210 是第一款使用 PIFA 天線的手機(jī)。在 1987 年，諾基亞推出第一款手機(jī) Nokia Mobira Cityman，依然用的是長(zhǎng)長(zhǎng)的桿子做手機(jī)天線，慢慢的把天線縮成了一個(gè)小蘿卜頭，在 1999 年的時(shí)候，在 Nokia3210 上，天線終于完全集成在了手機(jī)內(nèi)，用戶看不見了。這款 Nokia3210 也成為了手機(jī)史上最暢銷產(chǎn)品，總銷量高達(dá) 1.6 億部。
在 IFixt 網(wǎng)站提供的拆解報(bào)告中，我們終于找到了這款 PIFA 天線的真面目，不清楚中間的那個(gè)小孔是不是它的短路點(diǎn)。
當(dāng)然在 2000 年的時(shí)候，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)還比較簡(jiǎn)單，Nokia 3210 這款史上最暢銷手機(jī)也僅支持 GSM 和 DCS 頻段，藍(lán)牙，Wifi，衛(wèi)星導(dǎo)航等現(xiàn)在智能手機(jī)上最基本的無線功能，統(tǒng)統(tǒng)都為 0。
網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較單一，天線的設(shè)計(jì)也不太復(fù)雜，通常的雙頻天線就可以滿足手機(jī)的通信要求。而現(xiàn)在一個(gè)手機(jī)僅僅要滿足基本的蜂窩通信功能，就需要支持多達(dá) 60 多個(gè)頻段，涵蓋 2G，3G，4G，5G 目前還在使用的幾乎所有頻段，而且還有藍(lán)牙，Wifi，衛(wèi)星等頻段的無線通信要求。
No.3 智能手機(jī)的天線
現(xiàn)在手機(jī)支持的無線通信頻段越來越多，所需要的天線也就越來越多，最簡(jiǎn)單的方法就是把所需要的每一種天線都放上去，比如在 Palm 這款手機(jī)的背面就集成了 GPS 天線，以及 GSM 的低頻 900MHz 和高頻 1800MHz 的天線，并且在右上角還加了一個(gè)分機(jī)天線。
在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，手機(jī)天線都是這樣設(shè)置的，在塑料后蓋上印刷天線，從成本和空間利用上來說都是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)。這種把天線拉出來用外部金屬片或者其他結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的天線，也就是 FPC 天線。
蘋果公司從第一代蘋果手機(jī)直到 iPhone 3GS 上，都采用了這種 FPC 天線，利用塑料膜封塑銅薄膜做成柔性天線，放置在手機(jī)的塑料外殼內(nèi)。
2010 年，蘋果公司推出的 Iphone4，給手機(jī)天線設(shè)計(jì)帶來了革命性的變化，第一次把手機(jī)的金屬邊框作為輻射體，將天線設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)件完美融合在一起，開創(chuàng)了邊框天線的時(shí)代。
iPhone 4 手機(jī)的主天線，不僅在機(jī)殼的側(cè)面，而是與手機(jī)內(nèi)部的另一天線結(jié)合構(gòu)成的。機(jī)殼側(cè)面焊接著形狀復(fù)雜的金屬片，用來支持各個(gè)國(guó)家不同的多個(gè)波段。
這種全新的天線設(shè)計(jì)，一度還因?yàn)椤疤炀€門”而上了熱搜，很多用戶反映“在用手緊握 iPhone4 的時(shí)候，其移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)就會(huì)在數(shù)分鐘內(nèi)完全衰減到無法通話的水平?！?/p>
原因也很明了，邊框天線直接暴露在手機(jī)外面，非常容易被外界干擾，尤其是手握電話的時(shí)候，第一，人體的介電常數(shù)會(huì)改變天線的工作頻率，影響天線的效；其二，這種通過斷點(diǎn)來設(shè)定天線不同工作頻率的方法，如果人體剛好接觸到斷點(diǎn)，由于人體是個(gè)導(dǎo)體，很容易使斷點(diǎn)失效。
不過，有問題不要緊，解決了就行了，最怕的是怕遇到問題而不敢去創(chuàng)新 iPhone4 上遇到的問題，很快就被蘋果公司的天線工程師解決了，而解決方案也非常簡(jiǎn)單，在后面推出的 iPhone4S 上，我們看到，在邊框上又增加了一個(gè)斷點(diǎn)，手機(jī)信號(hào)就完美復(fù)活了。
無論如何，這種邊框天線都極大地促進(jìn)了移動(dòng)終端天線的進(jìn)步，也啟發(fā)了移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)的一個(gè)新思路：天線和結(jié)構(gòu)功能相融合。在華為的 Mate60 上，我還注意到，攝像頭的邊框也被設(shè)計(jì)成了一個(gè)天線 ——NFC 天線。
蘋果手機(jī)邊框天線的具體設(shè)計(jì)，目前還查不到什么具體資料，在論文《Overview of Future Antenna Design for Mobile Terminals》中詳細(xì)介紹了手機(jī)金屬邊框天線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理。通過巧妙地分割和接地，在金屬邊框中可以實(shí)現(xiàn)諸如倒 L 天線，倒 F 天線，環(huán)形天線等多種天線設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)在手機(jī)多頻段多制式的要求。
手機(jī)天線的發(fā)展，就先介紹到這里了，任何問題，留言或者 + V 私聊。
參考文獻(xiàn)
1，https://tisc.njust.edu.cn/e/f3/41/c12098a258881/page.htm；
2，https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-22543-7_21；
3，https://finance.sina.cn/2022-09-15/detail-imqqsmrn9174393.d.html；
4，https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329；
5，https://zhuanlan.zhihu.com/p/100421364
6，https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329
7，5G 移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)
本文來自微信公眾號(hào)：射頻學(xué)堂 （ID：RF_Center），作者：RF 小木匠
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