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        2. 一文看懂 5G、天線、后蓋的關系

          2019-05-24 11:46:54 1555

          5G是第五代(5th Generation )移動通信的簡稱,不是5G流量的5G,也不是說頻率5GHz的5G。

          相比于4G,5G的各項參數都有質的飛躍,簡單點說就是又好(移動時或者人多時信號照樣好)又快(速度快沒延遲)又?。ㄊ‰姡?。

          5G有多快?給個直觀感受,那就是1秒鐘可以下載一部高清電影!

          具體參數見下表

          5G選用什么頻段?

          目前來說,國際國內主流規劃的5G頻段可分為5G低頻頻段和5G高頻頻段。

          5G低頻頻段:主要是指6GHz以下的頻段。

          近日,我國工信部發布意見稿表明,

          3.3G-3.40GHz頻段基本被確認為5G頻段,原則上限于室內使用;

          4.8G-5.0GMHz頻段,具體的頻率分配使用根據運營商的需求而定。

          新增4.4G-4.5GMHz頻段,但不能對其他相關無線電業務造成有害干擾。

          5G高頻頻段:主要是指20GHz以上的頻段。

          我國主要在24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在征集意見,國際上主要使用28GHz進行試驗。

          為什么5G分為低頻和高頻呢?

          這個問題得慢慢道來,也可以跳過直接看結論

          首先看看手機之間是如何進行通信的?

          有線的部分就不多說了,主要說無線的部分。

          手機和基站之間是通過一種叫電磁波的東西進行通信的。

          電磁波是什么呢?

          其實平時聽說的紅外、紫外、激光,還包括太陽光等等帶光字的,不管人眼能不能看見的都是電磁波。

          電磁波主要有3個參數:振幅、頻率和波長。振幅主要表征的是電磁波的強度大小,先不多說了。

          頻率和波長有個神奇的公式:

          光速是不變的,所以頻率和波長是一一對應的,知道一個就能求出另外一個。

          因此,頻率或者波長相當于是電磁波獨特的標記。

          頻段是什么?

          用電磁波進行無線通信的地方有很多的,比如軍用雷達、電視、廣播、手機、wifi等等都是采用電磁波傳輸數據,只不過頻率不同。頻率相同的話,就會出現干擾,所以頻率是一個稀缺性資源,被占用了就沒有了。

          一般來說,不同用途的電磁波頻率是有一個范圍的,比如3MHz-30MHz,這個范圍叫做頻段(也叫做頻譜資源),

          而這個頻段的上下限之差就是所說的帶寬,比如3MHz-30MHz,這個帶寬就是27M。

          在特定的一個用途中,比如電視機的使用的電磁波是處于在一個頻段里面的,這個頻段繼續劃分成更小的頻段,則對應單個頻道比如CCTV1。

          手機同樣如此,移動電信聯通都有各自的頻段的,移動2G3G4G也是對應不同的頻段。

          例如經常說的“GSM900”、“CDMA800”,其實就是工作頻段900MHz和800MHz的意思。

          目前國內主流的4G頻段在1.8GHz-2.7GHz之間。

          為什么從1G5G,使用的頻率越來越高?

          最簡單直接的回答是:因為低頻率的頻段基本都被占用完了,只能往高頻的劃分了。

          為什么頻率越高,速度越快?

          因為高頻率下的頻帶還沒被劃分,可以用的帶寬高。

          可以把帶寬比作路寬,路越寬可以分的車道(信道)就越多,網絡速度比作總的車流量,所以車道越多總的車流量越大。

          當然,影響總的車流量的因素還有很多,在下面會詳細解釋。

          邏輯1:頻率高→頻帶未占用→帶寬高→信道多→速度快

          頻率是不是越高越好呢?

          當然不是的,根據上文提到的公式:頻率越高,波長越短

          波長越短,電磁波就越趨近于直線傳播(繞射能力越差)。

          比如激光筆(波長635nm左右),射出的光是直線,擋住了就過不去了,也就無法進行信號傳輸了。

          此外,頻率越高,傳播過程中的衰減也越大,這點后面還會詳細解釋。

          繞射能力差,單個基站信號覆蓋的范圍就越小,所以為確保信號覆蓋,基站的數量就要增加。

          邏輯2:頻率高→波長短→繞射能力差→基站覆蓋范圍小→基站數量增加→成本提高

          邏輯1:頻率高→頻帶未占用→帶寬高→信道多→速度快

          兩個結合起來看,就明白了:因為低頻和高頻各有優缺點。

          5G低頻下,速度提升較小,成本提升也較小,

          5G高頻下,速度提升較高,成本提升也較高。

          當然,5G的速度和成本也不單單是頻率影響的,可以利用新型多址、波束成形、MIMO、載波聚合等眾多技術提高頻譜的效率,有望在提升速度的同時有效控制好成本。

          關于具體的技術就不詳細展開了,可以用車流量的比喻來簡單理解各項技術。

          毫米波是什么?

          如果按頻率28GHz來算:

          波長將達到10mm的級別,也就是毫米波。

          因此,毫米波只是在5G高頻頻段才會出現,而在5G低頻頻段,波長在6-10cm左右,和現今的4G頻率下的波長11-16cm差異不大,仍屬于厘米級別。

          為什么要關注波長呢?

          因為電磁波的接收和發送是要通過天線來進行的,而根據遠距離通信(距離遠大于波長)天線設計的原理,天線的長度理論上是1/4波長或者1/2波長,可以使效率最大化。

          而除了通常的2G、3G、4G通信是需要天線,手機中的WIFI、藍牙、gps功能也都需要天線的。wifi的工作頻率在2.4-2.4835GHz和5.150-5.850GHz之間,藍牙的頻率在2.402G-2.480G之間。

          根據:頻率→波長→天線長度的推導關系,可以發現目前的通信主天線、WIFI、藍牙天線的長度基本都在幾個cm左右,包括5G低頻階段,天線的長度還在1.5-2.5cm。

          注:頻段為一個范圍,表中只給了一個近似值,并不是精確值

          NFC和無線充電的天線超級長?

          傳統天線工作距離遠大于工作波長,工作于遠場區,比如手機天線,需要接收幾百米直到十幾公里外的基站信號。

          而手機NFC有一個標準的頻率為13.56MHz、無線充電頻率為22KHz和13.56MHz,這兩種功能也需要天線(線圈),但這種兩種天線工作于近場耦合區(工作距離遠小于工作波長),原理是基于電場耦合,電磁感應或者磁共振。因此天線長度和波長關系不大,而是線圈的面積和匝數影響較大。

          NFC2.4GHz天線和普通的藍牙wifi天線長度差不多,NFC2.4GHz工作范圍要比13.56MHz大得多,因此安全上會存在些問題。

          目前applepay等支持的是NFC2.4GHz,三星pay和銀聯用的是13.56MHz。

          手機中天線的長度是如何測量的?

          手機中天線算的是兩點間的導線周長(無相交點),而不是兩個端點直接的直線距離。

          手機里各種天線長什么樣子?

          先看下三星S8的天線,有個概念:手機中有各式各樣的天線。

          對于通信(主)天線,隨著1G、2G、3G、4G的發展,頻率越高,波長越短,天線也越來越短,設計從以前大哥大的外置式,到目前主流的內置式或者用金屬中框當做天線。

          外置式的其實就是一根金屬線,已經成為老古董了,就不多解釋了。

          內置式主要分為3種工藝:FPCLDS金屬中框

          簡單點說:

          PFC: 就是用塑料膜中間夾著銅薄膜做成的導線

          第一代iPhone到iPhone3G、iPhone3GS,均采用了FPC天線設計結構。

          LDS:就是在塑料支架上用激光刻出形狀后,再電鍍上金屬形成的。

          三星s9除了NFC無線充電都是用的LDS方案的。NFC使用的是FPC方案。

          左圖是FPC天線,右側是LDS天線

          無線充電使用的是FPC+扁平線圈組成的,關于無線充電的方案又分為FPC、扁平線圈、密繞線圈,就不展開詳細說了。

          金屬中框:就是把手機的金屬框部分當做天線

          iPhone 4開始使用中框方案,

          因為不同天線的長度有不同的要求,所以把中框間隔開來進行設計

          iphone6看似一體的的金屬后殼,使用塑料填充,其實是被切分成A/BCD/E三段,A、E分別為上部分天線和下半部分天線,中間BCD部分是相互導通的,充當天線接地部分。

          iPhone6上半部分有通信副天線、雙頻WLAN、藍牙、GPS、NFC等功能。

          iPhone 6下半部分有通信主天線。

          5G對手機天線有什么影響?

          這得分5G低頻還是高頻來看,

          5G低頻→MIMO技術→天線數量增加→空間、設計難度增加

          前面說過,5G低頻的時候,5G天線的長度和4G差別不大,那就是沒有影響了么?

          有還是有的,雖然對長度影響不大,但是為了達到更高的速度,5G會多用幾根天線,就是MIMO技術,比如三星的4x4MIMO其實就是指發射端4根天線,手機端4根天線,

          這樣來看,5G低頻下主要是天線數量的增加,而多個天線之間的位置形狀需要好好設計,這樣才能達到更好的效率。

          5G高頻→天線陣列(大小、形式變化)→天線需要重新設計

          5G高頻呢,這時天線大小降低到幾個毫米了,電磁波的頻率非常高,在空氣中傳播衰減較快,

          為了減少衰減,目前主流的方案是計劃采用4x4或者8x8的陣列天線。

          此外,為降低衰減還需要減少走線長度,最好的解決方案是天線和芯片緊靠在一起,每個天線配一個小芯片,甚至不排除未來天線會集成到芯片內部的可能性。

          這樣有兩個好處:

          第一個很好理解,和5G低頻一樣,陣列的話數量增加了,就是MIMO技術。

          第二個好處是可以做波束成形,這個不好理解,打個比方,就是之前的信號相當于電燈泡,是發散光到整個空間的,而波束成形就是把電燈泡變成手電筒,這樣所有的光線就會朝一個方向了。

          天線和手機后蓋又有什么關系呢?

          我們都知道,金屬對電磁波有屏蔽作用的

          如果電線放在金屬板后面,電磁波從一面輻射而來,大部分能量被反射,小部分能量進入金屬,該電磁波會隨進入金屬的深度成e指數衰減(能量轉化為表面電流)。

          對于同一頻率電磁波,電導率越高,衰減越快。

          對于相同金屬材料,電磁波頻率越高,衰減越快。

          所以,天線絕對不可以放在金屬板后面的。

          比如,iphone3 的后蓋銀色的上半部分是金屬,下面部分是塑料。為什么要用塑料,就是為了在后面放天線的,

          iPhone 3G、iPhone3GS多了對3G網絡的支持,為確保無線信號穩定傳輸,兩者也都采用了塑料外殼。

          而iPhone5,為了確保信號穩定,iPhone5金屬后背采用三段式設計,上下兩部分是陶瓷玻璃,這也是為防止金屬屏蔽電磁波。

          那為什么iphone6后蓋是全金屬的呢?

          上文提到了蘋果從iphone4開始把中框做成了天線,iphone6金屬后蓋后面是沒有天線的!

          因此,天線是從設計上是不能被金屬后蓋擋住的。

          上面提到的要么天線放背面,不采用金屬后蓋或者部分不使用金屬后蓋;要么使用金屬后蓋,天線不放在背面。

          使用金屬后蓋的話,目前主流的后蓋設計是iphone5類型的三段式、或者iphone6或7類型的注塑條形。

          然而,目前采用iphone6類型的注塑條形后蓋的手機,想要做到雙天線還帶NFC,技術非常難。

          目前來說只有iphone實現了,而魅族的pro6雖然號稱實現了,但實際的NFC功能并不完善。

          日本村田設計了申請了一款新的專利,在攝像頭上面開槽,實現了在攝像頭處放置13.56MHz的NFC線圈。

          5G天線,會對手機后蓋有影響么?

          5G低頻下,天線數量增多,對天線的設計難度提升了,這是肯定的。

          如果使用金屬后蓋,以iphone6、7為例,上下部分已經放置了很多根天線,再增加2跟天線,設計難度肯定加大,但天線的形式未發生根本性的變化,設計難度應該在可接受的范圍內。

          當然,如果是非金屬后蓋,比如三星s8,用LDS方案,4x4mimo天線空間上問題就不存在,設計上難度更小。

          5G高頻,如果用4x4或者8x8的陣列天線,這時天線的數量和形式發生了根本性的變化,需要重新設計。

          單個天線幾毫米,4x4mimo天線大小為10mmx10mm的正方形,如果放在手機厚度方向上,是不行的,所以只能放在背面上,因此陣列天線處的背板一定不可以是金屬,要么采用金屬后蓋開窗的方案,要么使用非金屬后蓋。

          隨著無線充電即將普及,手機上再上無線充電線圈的話,那么手機后蓋只能采用非金屬了。比如三星s8就是使用的玻璃后蓋,既實現了4x4mimo天線,也加入了無線充電線圈。

          非金屬后蓋塑料、玻璃還是陶瓷?

          之前我們提到,金屬會對電磁波有屏蔽作用,iphone3使用了塑料,iPhone4使用了玻璃,iphone5使用了陶瓷來防止金屬屏蔽,因此至少在4G時代塑料、玻璃、陶瓷后蓋都是被證明可行的。

          目前非金屬后蓋中,全塑料后蓋逐漸成為過去時,一般只用在低端機上;

          全玻璃后蓋是主流方案,包括S8以及將要推出的iphone8都是用的玻璃方案;

          全陶瓷后蓋是新鮮事物,目前只用于小米5尊享版、小米mix以及即將發布的小米mix2中使用,還有安卓之父設計的手機也是采用了陶瓷后蓋。

          陶瓷憑借其優異的性能和手感,有望成為手機后蓋主流方案之一。

          以上還是站在目前的4G的時代來講,那么5G時代呢?

          4G時代,塑料玻璃陶瓷對電磁波的損耗都很小,所以都可以使用。

          但是材料對電磁波的損耗是和頻率成正比的,頻率越高,損耗越大。

          損耗指的是能量變小,除了損耗,還有減慢,也就是波的相位變化。

          5G電磁波在真空中傳播損耗已經很大了

          傳播損耗僅考慮由能量擴散引起的損耗,其大小只與電磁波本身的頻率F,傳播的距離D有關

          電磁波在真空中傳播的損耗公式:L=32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km),F為頻率,D為距離,

          由上式可見,真空中電波傳播損耗(亦稱衰減)只與工作頻率f和傳播距離d有關,當f或d增大一倍時,L將分別增加6dB。

          dB=10log(A/B)是功率之比。dB越大,意味著距離A處的功率比B處的大的多,A和B之間的距離d越大,A到B之間的損耗越大。

          反過來推斷,無線傳輸損耗每增加6dB,傳送距離減小一倍。

          5G低頻下,相比4G頻率增加了約1倍,真空損耗增加了約6dB,將導致傳送距離減小一倍

          5G高頻下,相比4G頻率增加了約10倍,真空損耗相比4G增加了20dB,將導致傳送距離不到4G1/8

          這還只是理想真空下,實際應用中傳播損耗要比這大的多。

          那么玻璃、陶瓷對電磁波產生的介質損耗有多大呢?

          對于一般材料而言,介電性能可以用復介電常數ε表示,ε'稱為ε實部,表征了材料極化程度或儲能容量;ε″為ε虛部,表征了材料的極化損耗。

          但實際應用當中,常常采用tgδ,即復ε虛部和實部的比值來定量描述電介質的損耗。

          對于陶瓷而言,

          該論文證明了在8.2~12.4Ghz情況下,陶瓷的介質損耗基本為零?。?!http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXYB200803009.htm

          對于玻璃而言,http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XDDX201412010.htm

          該論文證明了不同12mm厚的玻璃的介質損耗有所不同?。?!


          雖然以上兩篇論文不能完全說明問題,但至少可以說明玻璃陶瓷對電磁波損耗的影響遠遠小于頻率提升帶來的影響。

          5G不管是低頻還是高頻,都會帶來電磁損耗的提升,如果頻率帶來的大損耗都能解決,那么還會在意手機陶瓷玻璃后蓋這點微小的影響么?

          看問題,不應該抓小放大,反客為主,而應該從整體的角度思考,這樣才能看到問題的本質。

          有損耗,也有方法增益!

          以上介紹的是最理想、沒有使用其他技術的情況下電磁波傳播帶來的損耗,實際上,在天線發射端,通過對天線的設計如半波陣子、多個半波陣子并列等方法,可以實現對天線進行增益,就是增加其dB值的,所以,增益越大,傳輸的越遠。

          我們常見的無線路由器天線增益一般為3dB和5dB,一些主打穿墻能力突出的產品則采用了7dBi增益的無線天線。

          另外,之前提到的波束成形技術,是一種讓無線路由器發射端根據接收端位置進行定向發射的技術,通過多條路徑傳輸,在接收端采用一定的算法對多個天線收到的信號進行處理,明顯改善了接收端的信噪比,使得即使在接收端距離發射端較遠的情況下,也能獲得不錯的信號強度。

          從目前5G的進展來看,5G低頻的頻率增加的幅度還好,傳播損耗的問題也可以解決,而塑料陶瓷玻璃帶來的損耗影響是不用考慮的,都可以使用。

          5G高頻的頻率增加一個數量級后,傳播損耗驟增,這個問題才是首要的。

          這個問題的解決,就不是說一個手機后蓋是使用塑料還是玻璃或者陶瓷就能解決的,當然金屬是不可能的。

          而是需要各種5G技術比如增加帶寬、新型多址、波束成形、載波聚合、高階MIMO、C-RAN結構等技術來實現的,這些技術也都是經過多次論證而留下的主流技術方案。

          再看一下這張圖

          最后總結一下:

          1、5G分為低頻和高頻,國內低頻進展快

          2、5G低頻對手機天線、后蓋的影響都不大

          3、5G高頻天線變化巨大,放在手機內部,則后蓋最好用非金屬

          4、相比于頻率提升帶來的損耗而言,陶瓷玻璃等介質對電磁波的損耗非常小

          5、5G天線可提高增益以及采用波束成形等技術,解決損耗問題

          6、5G低頻,塑料玻璃陶瓷后蓋都可以用

          7、5G高頻,傳播損耗驟增需要多種5G技術解決,后蓋材料問題不是主要考慮的因素?,F有天線方案,塑料陶瓷玻璃要是能用都能用,不能用就都不能用,沒有討論的意義。

          8、如果要用無線充電,手機后蓋最好用非金屬

          9、陶瓷玻璃都可以應用于無線充電

          10、陶瓷力學性能優異、手感好,未來有望成為主流方案之一


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