移动终端天线技术的发展

北京京东方显示技术有限公司 胡伟频 王 丹 邱 云 孙 晓 王 纯 魏从从

目的：为了分析移动终端天线技术特点和要求。方法：文章从天线的基础原理和结构出发，介绍了适用于便携式移动终端的内置小型化天线类型和制造工艺，小型化天线类型包括微带天线、缝隙天线，以及平面单极子天线、倒L天线、倒F天线、平面倒F天线、Loop天线等，制造工艺包括PCB天线、陶瓷天线、钢片天线、FPC天线、LDS天线、金属中框天线等。结果：得出了移动终端根据不同机型结构特点和性能要求，对不同天线类型、制作工艺，以及终端ID的不同选择性。结论：最后展望了5G高速移动通讯时代挑战下的终端天线技术发展。

天线广泛应用在人类生产、生活之中，其作用是辐射或接收自由空间中的电磁波，如图1所示，在发射端，发射机产生的高频振荡电流经馈线输入到发射天线，发射天线将高频振荡电流变换为自由空间中的电磁波；在接收端，接收天线将自由空间中的电磁波转变成高频振荡电流，高频振荡电流经馈电设备传送到接收机。

天线辐射或接收电磁波的过程实质为“电生磁”或“磁生电”的能量变换过程。“电生磁”现象如图2(a)所示，指的是电流通过直导体，在导体周围的空间产生圆形磁场的现象，通过导体的电流越大，产生的磁场强度越大。发射天线即为“电

生磁”现象中的导体，交变电流通过天线，天线周围生成交变磁场，交变磁场与导体周围的交变电场叠加，表现为电磁波的形式进行传播，从而实现电磁波的辐射；“磁生电”现象如图2(b)所示为，指的是闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中产生电流的现象，穿过闭合电路的磁通量变化越快，产生的感应电流越大。接收天线即为“磁生电”现象中的导体，自由空间中传播的电磁波经过天线，天线切割磁感线产生交变电流，

(a)“电生磁”现象 (b)“磁生电”现象

图2 “电生磁”/“磁生电”示意图图1 天线辐射/接收功能示意图

从而实现电磁波的接收。

1 天线基础结构

天线的核心部件是其辐射单元，由导电性较好的金属制成，用于辐射或接收电磁波。根据辐射单元结构特征，可将其分为线振子和金属片两大类。

线振子结构代表天线是偶极子天线和单极子天线。偶极子天线如图3(a)所示，具有对称“双臂”——两根对称放置的金属导体，并具有两个馈脚，在其中心处进行馈电。每根导体长度为λ/4，总长度近似为半个波长的偶极子天线称为半波对称振子；单极子天线如图3(b)所示，具有一根金属导体，安装在一个接地平面上，仅有一个馈脚，在其下端点进行馈电，馈线的接地导体与接地平面相连接。单极子天线与偶极子天线在垂直平面上的辐射方

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ELECTRONICS WORLD・探索与观察 (a)微带天线 (b)缝隙天线

图4 微带天线示意图

向图相似，但没有地下辐射。 (a)偶极子天线 (b)单极子天线

图3 线振子天线示意图

金属片结构代表天线是微带天线和缝隙天线。微带天线如图4(a)所示，包括辐射贴片、微带馈线、介质基片以及接地板，辐射贴片可根据天线辐射特性需要设计为方形、圆形、椭圆形、三角形等，微带贴片天线的辐射基本由贴片导体和接地板之间的边缘场引起，辐射方向基本确定，一般应用于通讯方向变化不大的RFID系统；缝隙天线图4(b)所示，在金属片上加载缝隙结构，也称开槽天线，典型的缝隙形状是长条形的，长边长度约为半个波长，用跨接在缝隙窄边上的传输线进行馈电，通过缝隙辐射或接收电磁波。

2 移动终端天线的设计和工艺

随着科技的发展和人民生活水平的提高，手机、智能手表、笔记本电脑等移动终端越来越普及，这类电子产品移动式的使用场景给其便携性提出了很高的要求，便携性产品需求驱动其天线的内置和小型化。2.1 小型化天线设计

金属片结构辐射单元天线剖面低，且易于与系统集成，是常用的小型化天线。而线振子结构辐射单元天线应用于移动终端，需要对其进行更紧凑的结构设计，从而衍生了平面单极子天线、倒L天线、倒F天线、平面倒F天线、Loop天线等。

（1）平面单极子天线（Monopole）如图5所示：将传统的单极子天线的细导体线用具有一定宽度的平面金属辐射体代替，增大天线带宽。Monopole常位于移动终端顶部或底部，用馈线连接天线辐射单元和PCB的地，天线辐射体下方没有地。

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图5 平面单极子天线示意图

（2）倒L天线（ILA——Inverted L Antenna）如图6所示：由一个短的单极子加上顶部水平电线组成，相当于将传统的单极子天线折倒了一部分，实现了剖面降低。由于折倒部分形成了对地电容分量，倒L天线的输人阻抗较高。

图6 倒L天线示意图

（3）倒F天线（IFA——Inverted F Antenna）如图7所示：在倒L天线基础增加了短路结构，以减小折倒振子对地容分量造成的较高输入阻抗。由于IFA天线辐射单元、接地线都是细导体线，其频带较窄。

图7 倒F天线示意图

（4）平面倒F天线（PIFA——Planar Inverted F Antenna）如图8所示：在IFA天线基础上，采用具有一定宽度的金属片取代细导体线，相当于将一组细导线的阻抗进行了并联，从而进一步降低输入阻抗，并增大了天线带宽。

图8 平面倒F天线示意图

（5）Loop天线如图9所示：将一根金属导体绕成一定的形状，导体一端接地，另一端馈电，形成一个环形信号回路。根据环形天线的周长L相对与波长λ的大小，环形天线可分为电大环（L ≥ λ）、中等环（λ / 4 ≤ L ≤ λ）和电小环（L < λ / 4）三类。

图9 Loop天线示意图由于移动终端设备空间通常比较紧凑，空间不够的情况下会也

ELECTRONICS WORLD・探索与观察将天线金属部枝节进行弯折，在不减小天线电尺寸的情况下缩减天线的体积。且移动终端通常会集成多个通信系统，为了实现多个通讯频段的覆盖，设备中的天线也需要进行一些必要的变形，

如增加天线的金属枝节个数，引入多个长度不同的电流路径，通过不同的电流路径对应不同的谐振频率，来实现天线的多频带。因此天线实物相比示意图所示结构更为复杂。2.2 小型化天线工艺

外置天线具有信号稳定，制作简单，费用低廉的优势，适用于大尺寸产品。移动终端更适用内置天线，可避免天线外置对产品美观性、便携性的影响，不易损坏，也易加诸与人脑之间的反射层和保护层，降低对人体的辐射伤害。内置天线需要一定的净空区，因为金属对电磁波具有屏蔽作用，天线若置于金属板后方，天线辐射的电磁波大部分能量将被反射，小部分能量进入金属转化为表面电流。根据不同制作工艺，内置小型化天线分PCB天线、陶瓷天线、钢片天线、FPC天线、LDS天线、金属中框天线等。

（1）PCB天线采用的基材是PCB，将天线金属部分印在PCB板上，不需单独组装天线，成本低廉。PCB天线容易受到主板的干扰，需要承载于空间富裕的板子。

（2）陶瓷天线采用的基材是陶瓷，使用高温烧结陶瓷体，将天线金属部分印在陶瓷体，成本较高。陶瓷天线占用面积小，相对PCB天线更适用于空间紧凑的板子。

（3）钢片天线采用的基材是钢片，利用传统的冲压工艺获得天线金属部分的形状，成本低廉。因要确保冲压件的平整性，该工艺仅能制备形状比较简单的天线。

（4）FPC天线的基材是柔性线路板，使用背胶贴附于移动终端内部，成本较低，重量较低。FPC工艺可制作形状复杂的天线，适合复杂频段的天线应用。

（5）LDS天线指激光直接成型技术制作天线，LDS加工的基材是改性塑料，用激光刻出天线图样后电镀上金属形成天线，成本较高。LDS工艺可以充分利用产品内部各种不规则的面，设计灵活度高，非常适合紧凑空间的产品使用。

（6）金属中框天线指的是将电子产品的金属框复用为天线，利用金属边框进行辐射，根据不同天线对长度的不同要求，进行金属中框间隔设计而成。该工艺可提升产品的质感与美感，也大大增加了天线的调试难度。

3 移动终端天线的应用

3.1 天线设计选型

随着1G到5G移动通信技术进步，移动终端逐步加入通讯、蓝牙、WLAN、GPS等无线通讯功能，常用的天线类型为Monopole、

图10 金属边框天线类型

PIFA、Loop天线、ILA、IFA、缝隙天线等，移动终端根据不同机种的结构特点和性能要求选择其适用的天线类型。

超薄机种最广泛采用的天线类型是Monopole，Monopole体积较小，应用于超薄机种具有明显优势，其缺点是SAR稍高，对周围金属物件敏感，monopole天线性能与净空成正比，在终端屏占比越来越大、净空越来越小环境下应用受限。

机身具有一定厚度的机种最常用的天线类型是PIFA，PIFA结构中金属片辐射体平行放置于地平面上，其金属片下方必须有地，SAR较低，但为确保能量辐射效率，金属片与地之间需保证一定的高度，因此PIFA在当前流行的超薄机中应用受限。

金属边框移动终端可采用Loop天线、倒L天线、倒F天线，如图10所示，将金属边框作为天线的金属进行辐射。其中，因阻抗匹配需要，Loop天线应用于移动终端的类型通常为电大环，环长为一个波长，相比Monopole、PIFA的λ/4需要更长的路径，而当手机为金属边框时，则很容易利用金属边框与手机系统地板形成Loop天线。由于Loop天线上的电流路径时闭合的，其抗外界环境电磁干扰的特性要优于ILA、IFA。采用金属边框天线的开创者是iPhone 4，但其两段式边框设计容易导致天线短路，引发了“天线门”事件。

金属外壳移动终端可采用缝隙天线，缝隙天线是在导体面上开缝形成的天线，可良好的与外壳共形，有效减少天线占用空间，在金属外壳终端上应用具备天然的优势。但闭合缝隙天线工作在λ/2模式，需要的缝隙尺寸较长，一端不闭合的开口缝隙天线工作在λ/4模式，虽尺寸相较于闭合缝隙天线缩减了一半，但天线性能极易受到外界电磁环境的干扰，缝隙天线设计难度相对较大、带宽窄，不是主流应用。

部分移动终端还具有NFC、无线充电功能，这种近距离无线通讯使用的天线类型为线圈，工作于近场耦合区，天线长度和波长关系不大，影响感应效率的是线圈的面积和匝数。以手机无线充电为例，手机和充电底座之间分别内置线圈，充电底座内置发射线圈，手机内置接收线圈，充电底座发射线圈基于一定频率的交流电感应生成交变磁场，手机和充电底座靠近，手机接收线圈基于交变磁场感应产生一定的电流，从而实现信息或能量的传递。3.2 天线工艺选择

天线制作工艺的选择需结合天线制作成本和天线性能需求来综合选定，以蓝牙天线为例，PCB蓝牙天线在工程师PCB制图过程中即可绘制，随PCB板批次生产出来，生产出来的PCB板Cu厚Cu宽批次性差异较大，造成天线性能的批次性差异，部分天线的工作

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ELECTRONICS WORLD・探索与观察距离较远，部分天线的工作距离较近，但其具备低成本优势，蓝牙鼠标、蓝牙键盘等对工作距离要求不高的设备采用PCB蓝牙天线即可；陶瓷蓝牙天线由专业天线厂制作，出厂品控严格，剔除不合格品，批次性差异很小，成本较高，但对于工作距离要求较高的设备，则优先选用性能较好的陶瓷天线。3.3 终端ID选择

天线在移动终端集成的位置与终端ID会影响到天线的辐射性能。以智能手表为例来说明，智能手表具备多种无线通讯功能，成人智能手表功能主要包括蓝牙同步手机与GPS运动管理，儿童电话手表功能包括移动通话、GPS精确定位、WLAN等，并随着移动支付的发展，逐渐增加了NFC功能。

智能手表集成天线方式主要为表盘内部集成，而表盘面积较小，天线设计受限。单极子天线是智能手表常用天线类型之一，为减少天线所占用的尺寸面积，采用单极子天线时常利用表盘的厚度空间，将天线振子设计成立体结构。与iphone4手机天线概念类似，智能手表也可考虑采用金属边框作为天线，而加入NFC功能的话，NFC天线线圈常集成于表盘内部，这将与金属外框产生干涉。另外一种设计思路是将天线集成到表带中，从而突破表盘面积限制，可制作尺寸较大的天线，提高天线效率。

4 移动终端天线的发展趋势

5G（Fifth-Generation）时代已然到来，3GPP（3rd Generation Partnership Project）规定的5G标准中，使用频率包括FR1频段（450MHz-6GHz）和FR2频段（24.25GHz-52.6GHz）。FR1频段称Sub-6GHz频段，FR2频段称毫米波。国外运营商采用毫米波频段，国内运营商采用Sub-6GHz频段，表1所示为国内四大运营商5G频段分布情况。Sub-6GHz频段覆盖范围广，信号稳定，而毫米波传输速率更好，时延更低，且位于拥有大量未被充分利用频谱资源的高频段，是未来发展方向之一。天线长度为波长量级，采用毫米波通讯意味着在毫米级别上完成天线制备，驱动天线设计和工艺技术的革新。

表1 四大运营商5G频段分布

运营商5G频段（MHZ）带宽（MHZ）

2515-2675

160

中国移动

4800-4900

100中国联通3500-3600100中国电信

3400-3500100703-733

30中国广电

758-788304900-4960

60

电磁波波长越短，穿透能力越差，障碍物容易阻断毫米波的传输，MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)多天线技术的发射端和接收端分别部署多个相互独立的发射天线和接受天线，为解决毫

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米波传输过程中障碍物造成的数据传输易丢失问题，可首先由位于基站的处理单元对原始数据进行复制，并将复制后的信息分别发送给多个发射天线，多个发送天线再将复制后的信息发送给同一部移动终端，移动终端的多个接收天线接收到一组重复的信息，MIMO技术通过整合多个接收天线的破损信息，还原出完整信息，提高传输可靠度。采用MIMO技术的移动终端，其天线需空间错位布置，且越远越好，避免相互间的干扰。

为避免金属机身对天线信号的干扰，高端智能机重回玻璃后盖，玻璃材质在重量、厚度、易碎性等方面相对金属有一定劣势，但其美观度佳，最重要的是可确保5G时代手机通信的高质量。陶瓷后盖强度和韧性较高，相对玻璃后盖更耐摔，更抗磨，但陶瓷制作工艺比较复杂，成本也较高，不过凭借其优异的性能和手感，也有望成为手机后盖主流方案之一。

移动通信技术和市场高速发展，移动终端天线将进一步小型化甚至微缩化，其搭载的抗干扰技术也将随之升级，以满足移动终端便捷、高速、稳定的通讯需求，带给用户更好的无线通讯体验。

创新性说明：为了分析移动终端天线技术特点和要求，文章从天线的基础原理和结构出发，介绍了适用于便携式移

动终端的内置小型化天线类型和制造工艺，小型化天线类型包括微带天线、缝隙天线，以及平面单极子天线、倒L天线、倒F天线、平面倒F天线、Loop天线等，制造工艺包括PCB天线、陶瓷天线、钢片天线、FPC天线、LDS天线、金属中框天线等。结果得出了移动终端根据不同机型结构特点和性能要求，对不同天线类型、制作工艺，以及终端ID的不同选择性。最后展望了5G高速移动通讯时代挑战下的终端天线技术发展。

文章重点关注的是移动终端天线的技术特点以及其对终端设备的要求，系统的梳理了内置小型化天线设计类型和制造工艺。文章作者从显示从业者的角度，探讨了移动显示终端和天线的相互匹配性选择，思考了移动终端天线技术的发展。

作者简介：

胡伟频（1986—），女，河北衡水人，2009年毕业于河北工业大学，大学本科，主要从事显示终端的技术企划与研究工作。

王丹（1974—），女，2009年毕业于清华大学化学工程领域工程硕士，正高级工程师，主要从事显示终端的技术企划与研究工作。

邱云（1981—），男，硕士，2005年毕业于西安交通大学电子科学与技术专业，主要从事显示终端的技术企划与研究工作。