在《你知道一個手機究竟有多少種無線通信系統嗎？》我們根據手機的規(guī)格參數分析了現在手機所能夠支持的無線通信系統?，F在的智能手機居然能夠支持多達多達七種無線通信系統，并且每一種又包括很多個無線頻段。就單單蜂窩通信這種手機最基本的無線功能，也多達 60 多個頻段，涵蓋 2G，3G，4G，5G。不得不說，現在的智能手機真的是電子設備中最精華的設計，用最高的芯片制造工藝，支持著最復雜的無線環(huán)境，而且還超級牛的照相機，游戲機，影音播放機。
不得不為我們通信人豎起大拇指，點個大大的贊。
上圖是一個智能手機的功能示意圖，現在芯片技術的發(fā)展，讓一個手機在小小的體積內就可以實現如此復雜的功能。無線射頻收發(fā)模塊也集成在了幾個小小的 RFIC 內，可是天線怎么辦？這種與電磁波波長強相關的射頻器件，是很難縮小到 IC 中的，并且還要支持如此多的頻段。
我們今天一起來探究一下，手機天線到底是如何一點一點縮小到手機里的呢？
No.1 、最初的手機天線
最早的手機天線是什么樣的呢？首先最早的手機天線肯定是用在最早的手機上的。在 2023 年巴塞羅那通信展上，GLOMO 個人終身成就獎的獲得者 Martin Copper 就是現在手機的發(fā)明人，而第一款真正意義上的手機就是下圖馬丁老爺子面前的這幾款大哥大。馬丁老爺子就是在摩托羅拉實驗室打通了第一個移動電話。
看到不，大哥大腦袋上頂著的那根長長的桿子就是第一款手機天線，學名叫做單極子天線，俗名叫做鞭狀天線。
單極子天線是最最最古老的天線形式之一，在馬可尼的跨大西洋通信中就是應用了單極子天線。馬可尼應用的發(fā)射天線是從 48m 高的橫掛線斜拉下 50 根銅導線形成的扇形結構，可認為是第一副實用的單極天線，震蕩源是 70Hz 的火花發(fā)生器，隨后又利用 4 座木塔架設導線網構成方形單錐天線，如圖所示，發(fā)射波長 1000m。
而后，隨著無線電工作頻率的升高，電磁波波長也越來越短，單極子天線的個頭就越來越小，在很長的一段時間內，單極子天線都是無線設備的一種常用天線。
在 1944 年，摩托羅拉申請的第一個可移動通信設備的專利（專利號：US2439411A）中，單極子天線就出現在了專利申請書上，而這個專利是不是很像后來的大哥大。
單極子天線結構簡單，調諧方便，尺寸僅僅是相同工作頻率的偶極子天線的一半，其工作原理圖如下圖所示，一個可等效為無限大的地將單極子天線的獨臂通過鏡像的方式實現偶極子天線的雙臂輻射。
如果單極子天線的地為無窮大的話，其輻射方向性圖也相當于偶極子的一半。
但是移動設備不可能提供一個無窮大的地，所以單極子天線的實際方向性圖會變化。下面是我們利用仿真軟件通過改變單極子天線的地的大小得到的天線方向性圖，是不是很奇怪，隨著單極子天線的地越來越小，它的方向性圖會變得越來越接近偶極子。
這種垂直于地面的單極子天線在水平方向上可提供一個完美的全向輻射方向圖，非常有利于手機的應用。但是在垂直方向上就不好了，尤其是在軸線上，有一個大大的輻射凹坑，信號根本就不往這個凹坑里面走。所以，一定不能把家里的 WiFi 天線正對著你的手機......
但是大大的個頭是在是太影響美觀了，于是工程師們就想著如何進行單極子小型化，比較常見的方案是把單極子的輻射線做成螺旋狀的來壓縮天線的體積。抑或是做成拉伸結構的，不用的時候就縮起來。
這種利用螺旋線來縮小單極子天線尺寸的方式也曾廣泛地應用在手機中。比如早期的摩托羅拉手機和諾基亞手機，天線就變成了一個小蘿卜頭的樣子。
那能否把單極子天線折起來，直接封裝在手機里面呢？
No.2 看不見的手機天線
單極子天線豎起來能用，那么折起來能用嗎? 所以就有了人工改造單極子的第一步。
同軸單極子天線能否做成微帶單極子天線呢？當然是可以的，并且微帶單極子還可以掰彎，做成倒 L 形狀的單極子。
我們知道，偶極子天線的特征阻抗為 73.1 歐姆，單極子天線的特征阻抗為偶極子的一半，約為 36.5 歐姆，在設計過程中需要匹配倒我們通常用到的 50 歐姆饋線阻抗中。為了進一步改善倒 L 單極子的阻抗匹配，天線工程師們在倒 L 的饋電前面增加了一個接地點，做成了一個倒 F 形狀的天線，也就是常見到的 IFA 天線。進一步把 IFA 的輻射部分用平板來實現，來改善天線的帶寬，就出現了平面倒 F 天線 PIFA。
下圖展現了單極子天線的一個演化過程。
下圖是平面倒 F 天線的一個基本結構，單極子的輻射單元進化成了一個大大的輻射片，放置在天線地的上方，在饋電點附近的一個位置通過一個短路過孔實現輻射片的短路，來實現阻抗匹配。平面倒 F 天線需要一個比較厚的結構來實現，在諾基亞手機中應用最為廣泛，同時代的摩托羅拉手機還是比較熱衷于倒 L 或者 IFA 天線，這可能也是摩托羅拉手機一貫比諾基亞薄的一個因素之一吧。
諾基亞 3210 是第一款使用 PIFA 天線的手機。在 1987 年，諾基亞推出第一款手機 Nokia Mobira Cityman，依然用的是長長的桿子做手機天線，慢慢的把天線縮成了一個小蘿卜頭，在 1999 年的時候，在 Nokia3210 上，天線終于完全集成在了手機內，用戶看不見了。這款 Nokia3210 也成為了手機史上最暢銷產品，總銷量高達 1.6 億部。
在 IFixt 網站提供的拆解報告中，我們終于找到了這款 PIFA 天線的真面目，不清楚中間的那個小孔是不是它的短路點。
當然在 2000 年的時候，移動通信網絡還比較簡單，Nokia 3210 這款史上最暢銷手機也僅支持 GSM 和 DCS 頻段，藍牙，Wifi，衛(wèi)星導航等現在智能手機上最基本的無線功能，統統都為 0。
網絡環(huán)境比較單一，天線的設計也不太復雜，通常的雙頻天線就可以滿足手機的通信要求。而現在一個手機僅僅要滿足基本的蜂窩通信功能，就需要支持多達 60 多個頻段，涵蓋 2G，3G，4G，5G 目前還在使用的幾乎所有頻段，而且還有藍牙，Wifi，衛(wèi)星等頻段的無線通信要求。
No.3 智能手機的天線
現在手機支持的無線通信頻段越來越多，所需要的天線也就越來越多，最簡單的方法就是把所需要的每一種天線都放上去，比如在 Palm 這款手機的背面就集成了 GPS 天線，以及 GSM 的低頻 900MHz 和高頻 1800MHz 的天線，并且在右上角還加了一個分機天線。
在很長的一段時間內，手機天線都是這樣設置的，在塑料后蓋上印刷天線，從成本和空間利用上來說都是一個不錯的設計。這種把天線拉出來用外部金屬片或者其他結構實現的天線，也就是 FPC 天線。
蘋果公司從第一代蘋果手機直到 iPhone 3GS 上，都采用了這種 FPC 天線，利用塑料膜封塑銅薄膜做成柔性天線，放置在手機的塑料外殼內。
2010 年，蘋果公司推出的 Iphone4，給手機天線設計帶來了革命性的變化，第一次把手機的金屬邊框作為輻射體，將天線設計和結構件完美融合在一起，開創(chuàng)了邊框天線的時代。
iPhone 4 手機的主天線，不僅在機殼的側面，而是與手機內部的另一天線結合構成的。機殼側面焊接著形狀復雜的金屬片，用來支持各個國家不同的多個波段。
這種全新的天線設計，一度還因為“天線門”而上了熱搜，很多用戶反映“在用手緊握 iPhone4 的時候，其移動網絡的信號就會在數分鐘內完全衰減到無法通話的水平?！?/p>
原因也很明了，邊框天線直接暴露在手機外面，非常容易被外界干擾，尤其是手握電話的時候，第一，人體的介電常數會改變天線的工作頻率，影響天線的效；其二，這種通過斷點來設定天線不同工作頻率的方法，如果人體剛好接觸到斷點，由于人體是個導體，很容易使斷點失效。
不過，有問題不要緊，解決了就行了，最怕的是怕遇到問題而不敢去創(chuàng)新 iPhone4 上遇到的問題，很快就被蘋果公司的天線工程師解決了，而解決方案也非常簡單，在后面推出的 iPhone4S 上，我們看到，在邊框上又增加了一個斷點，手機信號就完美復活了。
無論如何，這種邊框天線都極大地促進了移動終端天線的進步，也啟發(fā)了移動終端天線設計的一個新思路：天線和結構功能相融合。在華為的 Mate60 上，我還注意到，攝像頭的邊框也被設計成了一個天線 ——NFC 天線。
蘋果手機邊框天線的具體設計，目前還查不到什么具體資料，在論文《Overview of Future Antenna Design for Mobile Terminals》中詳細介紹了手機金屬邊框天線的設計結構和原理。通過巧妙地分割和接地，在金屬邊框中可以實現諸如倒 L 天線，倒 F 天線，環(huán)形天線等多種天線設計，以滿足現在手機多頻段多制式的要求。
手機天線的發(fā)展，就先介紹到這里了，任何問題，留言或者 + V 私聊。
參考文獻
1，https://tisc.njust.edu.cn/e/f3/41/c12098a258881/page.htm；
2，https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-22543-7_21；
3，https://finance.sina.cn/2022-09-15/detail-imqqsmrn9174393.d.html；
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5，https://zhuanlan.zhihu.com/p/100421364
6，https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329
7，5G 移動終端天線設計
本文來自微信公眾號：射頻學堂 （ID：RF_Center），作者：RF 小木匠
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