5G時代預計2020年來臨，其手機天線工藝有何不同？

2017-02-26  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要

我國5G推進組6月1日在第一屆全球5G大會上正式發(fā)布了《5G網(wǎng)絡架構(gòu)設計》白皮書,華為公司近期在5G系統(tǒng)中提交的短碼方案正式成為標準之一,這體現(xiàn)了我國5G網(wǎng)絡技術研究的最新成果,這意味著我國從5G概念的研究已經(jīng)進入實質(zhì)推進階段——5G真的要來了。相比4G,5G時代的手機天線有什么不同?本文來談談。

一、5G是什么?

在3G、4G和5G等名詞中,G是英文單詞“generation”(第x代)的縮寫。因此,5G就是第五代移動通信技術。

第一代是模擬技術;第二代實現(xiàn)了數(shù)字化語音通信;第三代是人們熟知的4G技術,以多媒體通信為特征;第四代是正運營的4G技術,其通信速率大大提高,標志著進入無線寬帶時代。但是,4G還不是寬帶無線在線相連接系統(tǒng),僅僅解決了無線互聯(lián)有和無的問題,以具體應用為例,還遠遠滿足不了正迅猛發(fā)展的無線虛擬技術的大數(shù)據(jù)實施交互需求,也滿足不了無人駕駛的在線數(shù)據(jù)服務。

為此,5G應運而生,5G的用戶核心體驗指標是:其峰值速率將增長數(shù)十倍,從4G的100Mb/s提高到幾十Gb/s。也就是說,1秒鐘可以下載10余部高清電影,可支持的用戶連接數(shù)增長到100萬用戶/平方公里,可以更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)這樣的海量接入場景。同時,端到端延時將從4G的十幾毫秒減少到5G的幾毫秒。至于詳細的技術規(guī)范,太復雜,本文不展開談。

二、5G什么時候商用?

2017年,中國移動選取4-5個城市,每個城市大約建7個站點作系統(tǒng)驗證,形成商用樣機;

2018年,在數(shù)個城市,每個城市建設20個站點進行規(guī)模試驗,形成端對端商用產(chǎn)品和預商用網(wǎng)絡;

2019年,繼續(xù)擴大試驗網(wǎng)規(guī)模,城市試驗數(shù)量增加,基站增加;

2020年,形成萬用戶規(guī)模,商用規(guī)模開始部署。

三、5G重點和網(wǎng)絡射頻部分簡介

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5G的手機天線特點及其工藝

(1)5G終端天線,對周邊金屬很敏感

由于毫米波之波長很短,來自金屬的干擾是非常厲害的,印刷線路板(即PCB板),需要其與有金屬的物體之間需要保持1.5mm的凈空。

(2)5G天線是垂直與水平天線交互的點陣

這種垂直和水平交互的天線,對應垂直和水平兩個極化方向的信號收發(fā)。

(3)5G天線對安裝位置有特殊要求

由于5G終端天線是相控陣體系,其天線單元需要合成形成聚焦波束,因此需要規(guī)則的位置進行擺放,天線不能被金屬遮擋,適合3D空間掃描,規(guī)則的空間。

5G終端,被人手和人體遮擋,其信號都會開始尋找最低誤碼率頻段,形象的說,手機像一個長了眼睛的小寵物,一旦遮擋他,他即刻眼球四處轉(zhuǎn)動尋找最優(yōu)信道。我們把5G手機這一動作叫手機尋優(yōu),因此,設計終端時候,安裝天線位置一開始就要合適,使其好尋優(yōu)。目前手機終端中,最適合5G天線位置是兩端,尤其是上端部(聽筒位置附近),其他4G內(nèi)天線都要給其讓路,也就是說有優(yōu)選位置權,其他天線移到他處。

(4)5G天線是一個含芯片的模組

天線點陣,16個小的米粒大小的天線,不可能用16根屏蔽線引出信號到射頻芯片了,需要就地解決與芯片連接難題。引出天線與點陣天線做成一體,一般一個芯片管理四個點陣。

天線模組輸出不是射頻信號,可以用接插件引出端子到手機主板上。

(5)5G天線用什么材料制造?

● 柔性基材

前文中提到的4G天線制造材料中FPC工藝,涉及到PI膜(聚酰亞胺)是不能用于10G頻率以上系統(tǒng),因為,材料有一個叫損耗的指標,聚酰亞胺基材,在10Ghz以上損耗很厲害了。

微航推出一種基材厚度在6微米,增材制造技術沉積金屬的工藝,去掉了基材與銅箔之間膠層和覆蓋膜上膠層,可用于毫米波段天線制造。

● 剛性基材

塑膠、和線路板材質(zhì)。既要3D封裝,又要焊接電子元件,又要毫米波段電磁損耗低,這樣材料不多,剛性線路板都沒有用于4G天線,也不會用于5G。若采用適合毫米波段的印制電路板材料,把天線和電路全制造的這種印制板上,如下圖:

這樣做,價格是很貴的,且天線是平面構(gòu)型,性能會大打折扣,若把天線部分拆出來用高頻硬質(zhì)板制造,則失去了3D性能(手機四個角落弧形,天線需要共形設計)。毫米波段,對手機天線位置很敏感,差之毫厘,失之千里(指手機入網(wǎng)指標)。

塑膠中毫米波段低損耗的材質(zhì)是液晶聚合物(LCP)和PPS材質(zhì),但都需要再進一步改性成LDS基材。微航磁電公司未雨綢繆,推出這種天線模組制造全套制造流程。也可以采用“改性PP材質(zhì)支架+激光點焊芯片工藝”,這是一種低成本材料體系,利益PP材質(zhì)低損耗,用激光點焊回避了其不耐高溫焊接缺陷。激光點焊(配合特殊焊接錫膏),是一種在低溫基材上焊接電子元件技術。其實5G基站天線都可以采用此種工藝大幅度降低材料成本。4G的室內(nèi)分布基站,目前都采用塑膠材質(zhì)代替微波電路板,見下圖:

4G室內(nèi)分布基站,運營商已經(jīng)在使用中,微航代工制造這種天線組件,5G時代,基站更多,采用先進材料和制造工藝降低成本非常重要?？傊?G時代成長起來的LDS工藝還將大放異彩,只是換了材料而已。

(6)5G終端會有4G/3G天線嗎?

需要,至少5G終端開通初期,因此手機中天線林立,由于毫米波存在缺陷,如手握、屋內(nèi)屋外遮蔽都會使信號衰減嚴重。因此,4G網(wǎng)絡及5G的低頻段通訊也是必須的。如同4G建網(wǎng)之初,用戶4G搜不到信號了,自動轉(zhuǎn)3G搜索一樣。5G時代,用戶手機在毫米段搜不到信號或信號不強,將自動切換低頻段通訊。

2

現(xiàn)階段手機終端的天線技術

手機中布滿了天線,從GPS、藍牙、wifi、2G、3G、4G等頻段。頻率越低,尺寸越大。毫米波,顧名思義,其波長尺度在10mm內(nèi)了,照波長四分之一計算,約2.5mm的點陣,就是組成有規(guī)則間距的陣列。

4G的天線一般布置在手機上下端部和側(cè)面,采用了LDS(立體電路的一種制造工藝,激光在3D曲面塑膠上選擇性沉積金屬工藝)和FPC(柔性線路板)配合側(cè)面金屬邊框來實現(xiàn)終端天線功能:

金屬機身手機中,外露的中框一段金屬與手機內(nèi)FPC組成了天線:

若2017年玻璃機身手機開始流行,這類手機擬用到的工藝和材質(zhì)依然是FPC和LDS工藝,也有把天線制造在玻璃殼體和玻璃支架上的:

0.1-0.2mm厚度3D的玻璃支架上制造邊框觸摸和天線(深圳微航提供制造)

3

基站和終端

5G網(wǎng)絡是一個密集分布基站網(wǎng)絡,基站分布密度比前幾代移動系統(tǒng)都高。

其中,基站移動終端之間采用28Ghz的毫米波頻段通訊?；咎炀€系統(tǒng)采用相控陣天線體制。波束在垂直和水平兩個方向交叉極化,以實現(xiàn)更高的用戶密度和增加系統(tǒng)用戶容量。

5G終端具備自選基站能力,可以根據(jù)基站誤碼率挑選誤碼率低的基站和信道通訊。

實現(xiàn)以上這些功能,依賴陣列天線技術,基站和終端都用到了毫米波相控陣天線。終端中天線陣列為4X4點陣;

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下面簡單普及一下LDS技術:

一什么是立體電路?

立體電路是指相對傳統(tǒng)的平面電路而言,將電子元器件直接焊接在3維曲面基材上的電路技術。根據(jù)工藝過程、電路形成方式,實現(xiàn)立體電路的制造工藝有多種,如LDS技術、PDS導電油墨印刷、LRP激光剝離、3D綜合打印等。其中LDS技術制造的立體電路產(chǎn)品,可以滿足PCB的行業(yè)標準。

通過高溫LDS材料改性,激光鐳雕工藝改善和化學鍍藥水配方實驗,目前已經(jīng)可以實現(xiàn)0402的芯片,焊接在立體電路的線路,可以承受0.45Kg的拉力。達到了PCB行業(yè)的標準。

圖:立體電路用于手機天線(左),立體電路附著力測試

立體電路是近十多年發(fā)展起來的電路組裝技術。它基于結(jié)構(gòu)和性能的要求,可以把電子元器件直接焊接在塑膠曲面上,為產(chǎn)品創(chuàng)新,結(jié)構(gòu)設計突破,尋求到了新的解決方案。相比傳統(tǒng)的印制線路基材,其有特殊的優(yōu)點,是對傳統(tǒng)的電路制造技術的補充和發(fā)展。

二LDS實現(xiàn)立體電路的全制程!

視頻:立體電路全制程,來源于微航磁電

立體電路是一類電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形態(tài),LDS則是打造這類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形態(tài)最重要的工藝之一。了解更多LDS,請點擊查看→LDS塑料如何讓天線長到4G手機面蓋上?如視頻所示,立體電路全制程主要包括6個工序:材料改性、工程注塑、激光鐳射、表面化學鍍、3D噴錫、3D貼片等工序。如下圖所示:

1、材料改性

常規(guī)的塑膠原材料雖然也可以通過激光表面處理,進行緊密金屬沉積來獲得金屬線路。但是其結(jié)構(gòu)附著力,是不能夠與專用LDS材料相比的。專用的LDS材料中添了微細的少量的金屬化合物和相容劑等助劑,通過注塑后,這些金屬化合物均勻的分布在塑膠殼體內(nèi),采用激光活化出的金屬原子,是嵌入在塑膠粒子之間,所以化學鍍銅后,生成的金屬層與塑膠層的附著力非常好;手機天線的材料一般以PC等塑料為主要成分,目前也是使用量最大的立體電路材料。

另外,形成立體電路,就要進行高溫噴錫貼片,所以高性能立體電路的材料,必須是耐高溫的。目前國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出的高溫尼龍復合LDS材料,就可以耐溫達到290度,可以替代進口的LCP材料。

2.工程注塑(注塑)

此工序即是將專用原材料通過注塑成型得到規(guī)定形狀的注塑件。這道工序除了常規(guī)的殼料注塑要求,還要求在開模的時候,盡量避免合模線在線路區(qū)域,盡可能避免線路區(qū)域存在批鋒、毛刺、銳角等問題。

此外,立體電路產(chǎn)品殼體的注塑是嚴格禁止采用水口料的。

圖:JSW注塑機

3、激光鐳雕

產(chǎn)品殼體注塑好后,下一道工序就是激光鐳雕,進行素材表面區(qū)域,線路圖案內(nèi)的素材表面進行激光活化。激光鐳雕一般需要采用專用的激光設備和工裝夾具。根據(jù)3D線路圖案的形裝,采用不同的激光鐳雕機臺和工裝夾具。

國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出的大型流水線型激光機,可以通過六軸聯(lián)動,進行復雜3D曲面的圖形鐳雕加工,不需要二次裝夾,取代進口的三激光頭機器。

4、表面化學鍍

塑膠殼體通過激光活化,在72小時之內(nèi),就必須進行表面化學鍍。表面化學鍍也稱無電解鍍或者自催化鍍,是在無外加電流的情況下借助合適的還原劑,使鍍液中金屬離子還原成金屬,并沉積到零件表面的一種鍍覆方法。

在立體電路工藝中,因為要保證較強的附著力和金屬層的致密性,所以需要在化學鍍過程中,通過藥水的活性,嚴格控制銅的生長速度。通過調(diào)節(jié)藥水的PH值,控制藥水對素材的侵蝕。以及通過一些特殊的前處理工藝,解決產(chǎn)品化鍍開裂,金屬層保護的問題。

5、立體噴錫

傳統(tǒng)的噴錫只能進行平面噴錫,不能進行立體電路的曲面噴錫,需要用到專用的設備方可以進行。

6、立體焊接(貼片)

傳統(tǒng)SMT貼片稱為表面貼裝或表面安裝技術。它是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件安裝在印制電路板(PCB)的表面或其它基板的表面上,通過回流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術。而立體貼片是相對于傳統(tǒng)的SMT貼片,實現(xiàn)在3D曲面的塑膠殼體上,進行電子元器件的自動化貼裝工藝。這種立體貼裝的工藝主要是針對立體電路技術而發(fā)展起來的。

作者簡介:周紅衛(wèi)先生,深圳市微航磁電技術有限公司CTO,長期從事手機中新材料、新工藝創(chuàng)新應用和制造集成。

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