【5G技术知识】_5G、天线、后盖的关系

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1、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。,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

2、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（

3、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。,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），

4、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

5、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。,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

6、，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，

7、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。,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

8、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。,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

9、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

10、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 iph

11、one4 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

12、，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，4x

13、4mimo 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

14、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

15、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

16、,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 4G 的 1/8 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表示，称为实部，表征了材 料极化程度或储能容量；为虚部，表征了材料的极化损耗。 但实际应用当中，常常采用 tg，即复虚部和实部的比值来定量描述电介质的 损耗。 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