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手机5G天线如何布局设计?

时间:2021-01-22 13:44:40 来源:安威无线 点击:

5G手机由于天线频段多、手机侧边曲面构型等因素,天线设计有别于4G手机。产业界开始发布各种工艺路线,本文以问答方式综述天线布局及其制造工艺。
 
从目前5G手机上天线分布来看,由于5G手机有别于4G手机,在天线频段、手机侧边曲面结构等方面都要复杂许多。因此,众多的手机厂商及天线制造公司纷纷都参与研究各种适合的工艺路线及布局中。
 
那么,对于5G手机天线布局及制造工艺,我们需要知道些什么及怎么做?
 
一、 天线形式结构在手机外露的侧面,天线需要什么样的工艺?
 
"天线外露"是沿用4G时代金属边框分段做天线思路,天线指标最佳的结构就是外露,因此4G金属机身时代是“清一色”的外露做法。但5G手机天线众多,会导致金属中框分段太多而有损美观,不如在塑胶上“雕刻”金属图案做天线。这种雕刻有两种模式:
 
其一,是真雕刻金属做天线(LMA),其二是雕刻塑胶(LSA),再把雕刻塑胶图案金属化。
 
雕刻塑胶再金属化是主流,因为激光镭射图案精细、金属化后附着力强、产能高、良率高。
 
 
图1 在手机外壳金属边框的塑胶材质上做LDS工艺天线 来源:深圳市微航磁电技术有限公司
 
二、5G手机中框上布局天线是主流吗?
 
5G终端从主流结构来说,机身内部是钛铝合金包塑胶边注塑的结构件,这个结构件之外边的一部分是一级外观面,一级外观面上部分区域可以做LDS天线。因此中框布局做5G天线是主流。
 
 
图2 钛铝合金包塑胶注塑(低成本、刚性强,适合做内部结构件)天线制造在塑胶上 深圳市微航磁电技术有限公司
 
三、 钛铝合金被LDS塑胶包边注塑后再做LDS天线,工艺上是否冲突?如钛铝合金被LDS制程中药水腐蚀?
 
钛铝合金不耐酸碱,因此需要在制造过程中,对工件进行保护,其保护途径是成熟的化学品,参考阳极氧化时,对金属保护流程,很多保护性涂料选择性喷涂后,再激光镭射时留出LDS加工区即可。近年,LDS药水也有提升,化学镍药水也有非酸性的中性药水。
 
下图是2017年前后量产的一款钛铝合金包LDS塑料上制造LDS天线的产品:
 



 
图3 量产过的钛铝合金包塑胶边框结构,在白色LDS塑胶上做天线 来源深圳市微航磁电技术有限公司
 
 
因此无论哪家一级供能解决了以上的保护难题,就有了立足于5G天线的制造,毕竟这是天线制造的主战场。
 
四、 玻璃后盖上做天线有成功案例吗?
 
华为P30玻璃后盖上有两条天线,机身内FPC上焊接了LDS天线,与后盖天线无线耦合。这种无线耦合好处是:机身内LDS天线不要考虑全向辐射指标,只要把信号耦合到后盖,由后盖上的天线去全向辐射。对于手机内紧张的空间来说,天线指标可延伸到后盖解决。机身内LDS天线可以采用高介电系数材料,如陶瓷或者高介电LDS塑料来设计的更体积小巧,定向的与后盖天线互耦。
 
五、 中框上外露一级外观面,其上天线如何与机身内部贯通?
 
上文提到的无线耦合是一种方式,而另一种方式就是“细孔”:直径在0.1mm内导通的细孔被喷涂油漆后覆盖了,实现了“隐形”。
 
六、 LDS制程中,激光能一次性镭射天线图案时打出直径0.1mm细孔吗?深度多少?能在后续化学镀时实现金属化吗?
 
激光能在做LDS镭射时一次打孔,无需再取出素材换用专门的激光打孔机。这取决于激光装备种类,并非任何LDS镭射机都可以做到。下面我们将详细介绍激光机:
 
激光打的孔直径在0.1mm,化学镀时可实现金属化,确保双面导通,下图示实验报告摘要,素材是PC,厚度是0.7mm,孔径0.1mm,化学镀长金属后,孔变成0.05mm:
 
 
图5 在PC-LDS材质的壳体上做激光穿孔实验 来源深圳市微航磁电技术有限公司
 
在直径0.1mm的细孔内实现导通,化学镀填小了孔径。毫米波外露天线与内部的接触需要此工艺支撑。
 
七、如何看待5G手机中的LCP路线?
 
LCP材质表面金属化在低频段是成熟的,但在28Ghz毫米波频段,LCP材质金属化最佳模式是附着一层非金属化低损耗膜,然后在上面激光沉积金属,即LDS工艺,而非走传统蚀刻路线。已用实验证明过这项工艺的可行性,但目前日系和台系还在走敷铜蚀刻路线。敷铜路线的最大难题是粘接铜箔的胶在毫米波的损耗非常大,且难以解决。
 
采用的是无胶体系,因此损耗低。在此我们欢迎各位提供LCP膜,加工好传输线来共同进行测试!
 
八、 LCP和LDS两条路线,在5G手机中哪条路线为主?
 
两条线路都会用上,即硬质LDS和软质的LCP会组合使用。LCP表面金属化也可以用LDS来实现。
 
九、 您觉得5G手机天线产业下步状况?或者趋势?与4G时代有何区别?
 
4G时代分前后两段时期:2009年-2014年的LDS发展黄金时期,一批上市企业都上了德国装备,德系装备为主支撑了产业出货;2014年至今,苹果手机把天线做在外壳金属中框上,这对LDS产业几乎是毁灭性的打击。因为天线与机身一体化后,即使设计时考虑天线但制造时却没有这个部件,余下的传输线采用FPC来实现。这导致业界缺乏订单,无力更新装备,也没赶上设备自动化、无人化的浪潮。
 
以2017年谷底的LDS激光代工单子为例,3D镭射加工费降到了一元内,靠一台机器一个人,双班2人的人海战术,企业基本没有利润。虽然LDS业界目前依旧采取人海战术,但以先进装备来开辟工业4.0的道路是大势所趋。5G手机的更多天线能提升产值不假,但扩大产能的同时节省人力资本开支才是当务之急。总之,5G时代LDS制造的无人化是与4G时代的最大区别。
 
十、5G手机中最难设计的天线是哪个频段,工艺如何实现?
 
低频段如700Mhz频段,采用MIMO,手机需要四个角落上布设天线,可以采用氧化铝陶瓷做基材,其介电系数为7左右,损耗也低,天线3D布局在陶瓷上;也可以采用介电系数在7的LCP-LDS塑料缩小体积。
 
十一、如何看各种LDS升级新闻?
 
LDS涉及药水、装备、材料、工艺等细分领域,期待不断看到产业升级的消息!5G天线最终的最佳模式还没有定,前期一些成熟的工艺也会被互相融合,例如:钛铝合金包塑胶做天线工艺,NDA路线还可以再优化,NDA是把一段钛铝合金注塑时候内埋,成型后用CNC去除部分金属工艺,是目前天线的主要路线。但5G天线复杂,细微的线段很多,一种优化思路是内埋高温陶瓷天线,即注塑时将钛铝合金和陶瓷天线一并成型。这种路线,减少了复杂度,提升了良率,而陶瓷天线可以预先做好。高温陶瓷相比低温LTCC的损耗更低,成本也更低,但难点是精细3D电路化,若用上陶瓷涂料后就可以再做成3D天线,这是一种陶瓷LDS工艺,陶瓷天线也可以与FPC焊接一体进行组装。但无论哪种工艺都离不开材料和装备的支撑!
 
图片与部分文字来源:深圳市微航磁电技术有限公司
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