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5G终端天线设计,到底有多难?

发布时间:2021-12-28作者来源:金航标浏览:226

说到“终端”,相信大家一定不会觉得陌生。


们每天形影不离的手机,还有上班时经常使用的电脑,都被称为终端。



终端是离用户距离最近的节点,也是用户与系统之间的接口。用户访问和接入网络,必须依靠终端。



进入21世纪以来,随着物联网的诞生和发展,终端的种类迅速增加。它们的连接对象不再仅仅是人,而是延伸到世间万物。


IoT,Internet of Things(物联网)


例如,家里的门锁、电灯、电器,城市里面的路灯、水电表、垃圾桶,甚至包括单车、汽车、无人机,联网之后,都变成了终端设备,统称为物联网终端


物联网终端


2019年6月,国家工信部正式发放了5G商用牌照,标志着迈入了“万物互联”的5G时代。


5G凭借大带宽、低时延、广覆盖等特点,不仅将消费互联网的用户体验推向了更高的水平,也极大地推动了百行千业的物联网场景孵化和落地。


例如,5G结合4K/8K超高清视频技术,甚至VR/AR技术,可以实现海量视频数据的无线传输,摆脱有线传输带来的空间束缚。


再例如,5G智能制造场景下,采用了5G技术的工业机器人,控制消息的时延极低,可以完成高精度的操作,提升生产效率。


还有大家关注的无人驾驶和远程驾驶场景,车联网与5G相结合,借助5G低时延高可靠性网络,可以更好地实现车路协同,提升安全系数。


5G无人机


5G强大的网络通信能力,为行业应用场景的完美实现,奠定了坚实的基础。然而,它也给终端产品设计带来了巨大的挑战。


尤其是终端产品的信号收发能力,如果无法满足要求,那么即使网络再好,也是“有网无端”,难以发挥5G的真正价值。


那么,影响物联网终端信号收发能力的最关键部件,究竟是什么呢?


相信大家都已经猜到了,没错,就是天线




▉ 5G终端天线设计的重难点


天线,英文名叫做antenna,是所有通信设备最重要的部件之一。它的好坏,直接关系到终端的通信能力以及工作效率。


一直以来,天线都是终端的设计重点和难点。5G的到来,更是将天线的设计难度推向了难以想象的高度。


首先,5G终端要支持多天线技术,以满足超高传输速率要求。


5G的超高速率(Gbps以上),要求强大的多天线系统性能支持极强的数据吞吐能力。为了实现高速率,5G引入了Massive MIMO(大规模天线)技术,终端天线需要同步支持。5G还引入了Beamforming(波束赋型),终端天线同样需要支持。



其次,5G终端天线必须有合理的布局设计,尽可能小型化。


终端天线一般分为外置天线和内置天线。外置天线我们见得比较多,体积较大,独立于设备之外。而内置天线体积小巧,集成在物联网设备内部。



现在的物联网终端,一般都要求体积小巧,且内置天线更加美观,更具市场竞争力,所以,越来越多的终端厂商选择内置天线方案


在本已狭小的设备内部空间,塞入5G天线,谈何容易?


天线是敏感元件,放置位置和方式有严格的限制,不是随便乱塞的。如果布局设计不合理,可能导致和其它器件之间的互相干扰,出现电磁兼容性(EMC)问题。


5G频段,中低频有Sub-6 GHz频段(甚至700MHz频段), 高频有毫米波频段。频率跨度大,意味着天线尺寸跨度也大,加上多制式网络的支持,要求天线必须具备很好的调谐能力,这也大幅增加了天线的设计难度。


在设计天线布局时,还必须要考虑用户使用场景和方式。例如,5G手持终端需要考虑手部握持的位置,5G踏板车需要考虑天线会不会被骑手身体阻挡,等等。


第三个设计难点,在于功耗控制


功耗是物联网终端的命门。如果天线设计未经优化,会加剧电池的消耗速度。


5G作为高性能终端,功耗设计压力本来就大。如果天线额外增加了对电池的消耗,无异于雪上加霜。试想一下,如果5G终端需要频繁更换电池,用户体验从何谈起?随之而来的成本增长,又该如何面对?


除了上述几点之外,终端天线设计需要考虑的因素还有很多,例如新工艺新材料的应用,产品耐用性、可靠性、易安装性的增强,等等。



对于终端厂商来说,要在研发和设计5G终端天线时面对这么多的挑战,实在是力不从心。


有些厂商,因为忽视对天线的前期设计,导致产品定型后发现性能受限,工作效率无法符合设计需求,最终不得不花更多的经费、时间和精力,对天线进行重新设计。


也有的终端厂商,虽然知道天线的重要性,但缺乏天线专业人才,不具备合格的天线设计和测试能力,只能束手无策。



▉ 5G终端天线设计的解决方案


面对5G终端天线设计的诸多挑战,国内模组行业的领军企业——上海移远通信,提出了自己的见解和应对方案。


对于移远通信,行业内的读者一定都非常熟悉。他们是全球领先的物联网解决方案供应商,模组出货量排名前列,拥有涵盖2G/3G/4G/5G、NB-IoT/LTE-M、车载前装、安卓智能和GNSS模组的完备产品线。



作为模组厂商,移远通信在天线设计领域拥有丰富的行业经验积累。


目前,移远通信已成功推出250多种天线产品,包括胶棒、组合式、出线式、磁吸式等外置天线,以及PCB、FPC、SMD、陶瓷等内置天线,覆盖包括5G在内的不同技术的物联网应用。


移远通信天线产品


移远通信认为,终端厂商选择多个供应商,采购组件,然后集成到一台设备中的传统方式,已经无法满足5G终端的天线设计需求。无线模组和天线由一家能同时提供应用方案的供应商进行整合设计,将是5G时代终端天线设计的主流趋势。





无线模组、天线分开设计和采购,就好像是一辆汽车升级时只换发动机,或者只换车架、轮胎,缺乏整体上的考虑,性能提升始终有限。


而整合设计的方式,是站在更高的视角,进行全局考虑。无线模组和天线之间能达到更好的协同,发挥最佳性能。



例如5G天线的调谐能力,在整合设计的前提下,表现肯定优于分开设计。


除了达成5G的指标要求之外,整合设计也有利于减小5G终端的整体尺寸,减少对空间的占用。对于系统功耗和散热控制来说,整合设计也有明显优势。


系统级整合方案还有一个显著的优点,就是降低5G终端的设计难度,方便厂商们以更快的速度推出产品,抢占市场。


5G模组+天线集成化设计方案


移远通信的“无线模组+天线”整合设计方案,既充分利用了自身在模组领域领先的技术实力和经验,又发挥了全定制天线设计、集成和制造能力,可以说是如虎添翼,让5G客户实现拿来即用,减少其在5G技术上的研发投入,缩短开发周期,助力产品快速上市。


移远通信拥有专业的天线团队,天线服务贯穿咨询与评估、设计、测试和认证、生产制造等各个环节,可以提供一站式服务。



除了设计能力赋能之外,移远通信天线服务还充分考虑了质量方面的保障,以及延伸服务能力的加强。


为了保证天线产品的质量,移远通信具备完善且严格的质量流程,可以提供完善的测试系统和设备。移远还可以提供射频设计审查和整机EMC/Desense排查测试,帮助客户解决最常见的难点、痛点,大幅减少开发工作量。


移远通信5G终端天线测试设备


延伸服务能力方面,移远通信的服务网点遍布全球各地,可以提供本地化技术支持服务,更快响应客户需求,为客户终端快速抢占市场全方位“护航”。


移远还可以综合评估运营商要求,进行预认证测试、OTA优化,为客户节约各项成本,加速终端上市,抢占5G市场先机。



▉ 结语


随着5G网络建设的提速,我们整个社会正在加速走向数字化、智能化。


以5G终端为代表的海量物联网节点,正在遍布地球的每一个角落,它们是数字化网络的神经末梢,也是构建精彩数智世界的基石。


我相信,在不久后的将来,在完善的设计服务加持下,还会有更多优秀的5G终端产品甚至爆款产品出现,颠覆我们的认知,彻底改变现有的工作和生活方式。


未来已来,让我们拭目以待!




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