4 天线:大规模MIMO技术,阵列天线加速走向应用
4.1 手机端:采用阵列天线,工艺难度加大提升价值量
5G作为新一代通信技术,引入了一系列新的技术和标准。这些新的技术和标准将大幅提升手机天线的设计和制造难度,需要引起手机厂商的足够重视。总体来看,手机天线将在尺寸、阵列、有源器件、芯片等四个方面大幅提升难度。
4.1.1 阵列天线将被采用,加工工艺更加复杂
MIMO技术,决定手机天线将采用阵列天线方案
由于5G将部署大量小基站,各个小基站的误码率等性能不尽相同,所以5G手机需要具备自选基站的能力,以选择误码率低的基站和信道实现通信,这就要求5G手机采用阵列天线技术。基站天线采用的阵列天线,波束将在垂直和水平两个方向交叉极化,所以5G手机天线需要采用垂直和水平天线交互的点阵,以同时保证垂直和水平两个极化方向的信号收发。
阵列天线对手机天线的设计和制造提出了更高的要求,未来的5G阵列天线很可能集成到后盖上,要求天线生产商和后盖生产商之间的具有紧密协作。
天线尺寸大幅缩小,加工工艺难度大幅提高
天线长度通常为波长的四分之一,所以当5G需要使用高频段时,由于电磁波的波长大幅缩小,手机天线的尺寸也需要大幅缩小。天线尺寸的大幅缩小将对天线的材料和加工精细度提出更高的要求。对于30-40GHz左右的5G天线,FPC以及注塑冲压的天线制作方式将达不到要求,可用LTCC、高介电、陶瓷等技术进行加工制造。但60GHz及以上的天线尺寸非常小,就需要微电子加工技术,加工精度要求更高,需要采取和芯片集成在一起的加工工艺。
4.1.2 波束成形技术要求手机天线集成有源器件
基站和手机在5G时代的通信将采用波束成形技术,需要保证基站与手机之间的定向传输,这就需要集成移相器、相位控制器等有源器件。其中移相器用来对波的相位进行调整和改变,用于调节交流电压相位。相位控制器用来控制手机天线的相位,以保证与基站之间的定向传输。
所以未来的手机天线厂商不仅需要具备天线的设计与制造能力,还需要具备集成有源器件的能力,甚至将天线与有源器件结合为模组形式提供给终端客户。
4.1.3 阵列天线或将与芯片相结合
由于5G手机天线采用阵列天线,天线数量大幅增加,不能使用屏蔽线引出信号到射频芯片中,所以需要把引出线与阵列天线做成一体,并与芯片相结合,通常一个芯片管理四个点阵。
天线与芯片的结合,并不意味着芯片厂商将取代天线厂商。芯片厂商不知道如何设计天线并对天线的性能进行检测与评估,只有专业射频厂商有这方面的经验。所以,芯片厂商只有与天线射频设计公司合作,才能制作出5G所需要的天线系统和制作出产品。
4.1.4 阵列天线价值量大幅提升
5G通信将使手机天线单机价值量大幅提升。根据产业链调研,目前较为低端的弹片天线单机价值量约为0.3-0.5元,主流的FPC天线单机价值量达到1-2元,而高端的LDS天线单机价值量达到6-15元。而等到5G时代,手机天线将采用阵列形式,还需要整合有源器件与芯片,单机价值量将达到30-80元,相比目前的价值量水平得到大幅提升。
4.2 国内厂商技术雄厚,将引领5G通信天线的发展
经过多年发展,我国厂商均积累了足够的技术与资本实力,已经成为各自行业的领头羊。随着5G时代的到来,国内天线厂商将继续凭借雄厚的技术积累,引领5G时代通信天线的发展。
手机天线已经有了很长的历史,并经过了几个重要的发展阶段,行业中心也开始从欧美向中国转移。
早期天线主要是从军用领域发展而来,所以不难理解为何此前的国际天线大厂主要集中在欧美及以色列。天线军转民之后,起初主要应用于车载电话、无线寻呼等专业领域。早期天线普遍置于移动终端机壳外顶部,带宽窄、不美观、易折断,后来,随着天线技术不断提升及用户对整体外形要求提升,天线从外置转为内置天线。
早期的内置天线主要是金属弹片加塑胶支架的结构,多是两维手工设计、测试及制造,当时金属弹片天线单价在3-5元;后来由于精密度要求提升,金属弹片替换为FPC材质,但天线依然是两维设计制造,目前其平均单价为1-2元。再后来,随着LTE(4G)的加入,天线的复杂度将越来越高,覆盖5-6个甚至更高频段,手机中的射频信号通道越来越拥挤。此外,手机还需要处理来自外围无线设备的各种信号,如蓝牙、Wi-Fi和GPS等,所有这些信号需要工作在不同的频段,而且都需要接入天线,并且取得最优的性能和较轻薄较集成化的外形尺寸,这使得天线设计测试及工艺难度越来越高。
此时,要实现4G所必需的多天线技术,在多频多模的要求下,天线外形从早期的两维变成三维,天线设计必须实现电脑自动化设计,而对制造的精密度要求也越来越高,早期的FPC、弹片等手工设计、测试和制造的模式已不适用,全自动化模式成为主流,而在全自动化模式中,三维制造精度最高的就是LDS工艺,可以说,LDS工艺是4G终端天线可实现的主要工艺。
国外企业进入手机天线行业较早,拥有较强的技术积累,仍然占据着很大的手机天线市场份额。目前国外手机天线厂商主要包括莱尔德、普尔思、安费诺、莫仕、Skycross等。