科普一分鐘 |5G讓我們的手機變醜？天線的鍋
【PConline 雜談】有一種說法是，每一款最終出現在我們面前的智慧機都是妥協的產物。當然，換個角度我們也可以用平衡這個詞。現階段來說，平衡主要作用於設計與功能。更強的拍攝系統與突出的攝像頭，更輕薄的機身與更持久的續航，現階段都是不可解決的矛盾。
如何取捨，便是平衡的藝術。
顯然，消費者與廠商對智慧機的願景總是會領先於實際，由此引發的關於平衡的問題，不僅會存在於智慧機發展的過去，存在於現在，更會存在於未來。
5G時代的舍與得
美國夏威夷時間12月4日-6日，高通於夏威夷正式召開第三屆驍龍技術峰會。雖然有驍龍855處理器的初登場，但我們都知道，本次峰會的主題，是5G。
5G時代，真的快要來了。
此前，華為與三星均預計將在2020年實現5G網路的商用。國內方面，包括中國移動、聯通、電信在內的三大運營商均表示將在2020年實現5G網路的正式商用。而韓國運營商則更為激進，已經於近日正式推出5G網路運營服務。據悉，韓國的5G網路將首先提供給企業使用。
5G更高的傳輸速率與更低的延遲將改變人們的生活方式，為物聯網的普及奠定基礎，開啟AI生活的大門。看起來，5G時代盡是好事。然而你是否想過，5G時代的智慧機，也許會比現在醜得多？
沒錯，這又是一個設計與功能的取捨問題。而這一次的主角，是天線。
天線設計的難點
說起天線，想必大家都不陌生，但說起智慧機中的天線，也許很多人就不知道了。如今智慧機中的天線，是機身內部的一根根小金屬片。移動資料需要天線，藍芽功能需要天線、GPS也需要天線。只要涉及到訊號傳輸，就需要天線。
不同天線的長度並不相同。這主要涉及到訊號的頻段與波長。頻段越高，波長越短，天線也就越短（大概為波長的1/4）。
那麼，問題也就來了。
就國內來說，5G一共分有低頻與高頻兩個頻段。低頻頻段為3~5Ghz，和現在4G頻段相差不多，天線可以沿用當下的設計。但是，為了滿足5G的傳輸速率要求，就必須提高天線的數量。
MIMO（多輸入多輸出）多天線技術就此登場。
MIMO技術理解起來也很簡單，1x1 MIMO就是1根發射天線與1根接收天線，4x4 MIMO就是4根發射天線與4根接收天線。相比來說，4x4 MIMO在傳輸速率上肯定是遙遙領先於1x1 MIMO的。畢竟，四車道肯定比一車道運輸量更大。
4x4 MIMO示意圖
低頻頻段使用MIMO多天線技術就能夠解決問題，但在高頻頻段卻遠遠不行。如上文所說，頻率越高，波長越短。在5G高頻頻段，通訊波長只有10mm左右（毫米波）。物理學告訴我們，波長越短，傳輸衰減就越大。
5G創業公司Movindi的研發人員表示，手指、人臉在5G毫米波天線前會產生“臨近效應”。不僅會導致訊號下降，甚至可能會直接遮蔽訊號，死亡之握的概率大大提升。
但是，更大的挑戰還在後面。
如今流行的全面屏設計將會成為5G時代天線設計的最大挑戰。同許多人想的並不一樣，全面屏設計中最難的並不是螢幕設計，而是天線設計。一般來說，手機中的天線是360°全方位輻射的，因此在其附近的一定範圍內是要避免出現金屬的，這個範圍就是“淨空區”。
過往天線的淨空區往往放在“下巴”上。然而，全面屏設計大大壓縮了“下巴”的面積，一整塊具有金屬材質的螢幕完全遮住了手機的正面，這就對天線的設計提出了非常非常高的要求。
具體來說，由於5G毫米波非常短，來自金屬的干擾會更加嚴重，至少需要1.5mm的淨空區。而5G手機被人手和人臉遮擋時，訊號會開始尋找最低誤位元速率頻段。所以在設計5G終端時候，天線安裝的位置一開始就要合適，使其易於尋找最合適的頻段。
除了接收效能外，還需考慮空間覆蓋度與散熱的問題。越廣的空間覆蓋度越有利於使用者的無線體驗，但越廣的空間覆蓋度，往往要犧牲手機外觀設計。此外，為防止散熱不當對天線系統造成損壞，在整機設計時也要注重材質的把控。
綜合來看，由5G天線設計帶來的挑戰，很可能會迫使廠商拋棄掉金屬材質後蓋，更改機身的形狀和尺寸。如果你對此沒有直觀的印象，那麼看看moto Z3最新的5G模組，就會有答案了。
解決方法-天線陣列
高難度天線設計並不意味著5G時代的智慧機一定會變醜。可以說，5G時代智慧機市場可能會迎來新一輪洗牌，真正具有實力的廠商將會脫穎而出，繼續為消費者帶來顏值與功能俱佳的產品。
事實上，5G天線設計困難重重，但不是沒有解決方案。目前，業內普遍看好天線陣列（多天線單元）設計，即將許多相同的單天線按照一定的規律排列組成的天線系統。
當下5G毫米波天線陣列一般是基於相控陣的方式，具體實現方式又可以分為AoB （Antenna on Board，即天線陣列位於系統主機板上)、AiP （Antenna in Package，即天線陣列位於晶片的封裝內)，與AiM （Antenna in Module，即天線陣列與RFIC形成一模組)三種。目前AiM方式為業界普遍接受。
貼片天線（patch antenna）
AiM的毫米波天線陣列為了實現更廣的空間覆蓋，一般會以輻射波束互補（如broadside radiation，即寬邊輻射，與end-fire radiation，即端射）的天線種類（如patch antenna，即貼片天線，與Quasi-Yagi antenna，即準八木天線）進行搭配設計，並基於天線饋點的適當設計，以達到雙極化（垂直與水平極化）的覆蓋，從而大幅改善毫米波訊號的範圍和覆蓋率。
準八木天線（Quasi-Yagi antenna）
同時，通過在不同位置設定多個毫米波天線陣列，如多個AiM模組，適時切換到其他波束，以避免智慧機被外物覆蓋（如手）時，可能會出現的單個陣列效能受影響的情況。
多天線陣列的切換，還可能會帶來另一個問題。效能較弱的天線陣列切換到效能較強的天線陣列的間隙，可能會漏失大量資料，而造成使用者連線體驗的顯著下降。基於此，是否切換天線陣列，如何縮短切換天線陣列的時間，需要硬體工程師與軟體工程師協同合作，更能考驗廠商的功底。
高通QTM052毫米波天線模組
另外，小尺寸相控天線陣設計，有助於減少5G天線對內部空間和天線淨空區的需求，從而實現更加緊湊的機身設計和更高佔比的螢幕。 高通於今年10月釋出的QTM052毫米波天線模組在上代的基礎上縮小25%，進一步減少了5G天線對手機空間的佔用。
值得欣慰的是，在今年12月4日舉行的第三屆驍龍技術峰會上，高通展出的5G原型機相比先前的技術展示機型已經有了相當大的進步，從外形來看，它已經和當下主流的全面屏手機沒有太大的差異，等到5G正式落地還有一段時間，這令人對5G時代的手機設計又多了一分期待。
總結
5G時代是全新的時代，不僅是天線設計，基於5G的網路佈局，基於5G的生態鏈，基於5G的應用場景，均對智慧機廠商提出了新的挑戰。好在，挑戰也是機遇。5G時代，真正具有能力的廠商必將脫穎而出，在新時代，實現新的飛躍。