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在移动通信系统中，天线是负责电磁波收发的核心器件，是连接有线电路与无线电波的桥梁，它的表现直接影响整个无线通信系统的性能。根据广泛采用的学术定义，天线是一种附有导行波与自由空间波互相转换区域的结构 [4] 。这个定义表明天线是一种转换器件。天线的参数可以细分为两类：一类是电路特性参数，包括输入阻抗、驻波比、带宽等；另一类是辐射特性参数，包括增益、极化、波束宽度等。不同的需求和应用场景对天线参数的要求不尽相同，如移动通信系统侧重信号的空间覆盖，卫星通信系统侧重无线链路的可靠性，雷达系统则对天线的波束指向和副瓣非常敏感。这些需求和应用场景促进了天线形式的多样化发展，也推动着天线技术不断改进与创新。
移动通信系统中的天线可分为基站天线和移动终端天线两类。从1G到5G，这两类天线的形态和功能都发生了巨大的变化，以更好地满足移动通信的发展需求。需要说明的是，由于本书不涉及基站天线设计，相关内容不做展开。移动终端包括多种形式，如便携设备、嵌入式设备和可穿戴设备等。在本书中，如没有特别说明，移动终端均指手机，移动终端天线均指手机天线。本节将从天线的结构、频段和数量3个维度呈现手机这一典型移动终端的天线演进历程。
手机是日常生活中使用频率最高的电子设备之一。从1G到5G，手机天线的发展大致可划分为3个阶段，分别是外置天线阶段、内置天线阶段和共形天线阶段。图1-3展示了过去40年手机外观和尺寸的变化，从中可以了解手机天线的演进历程。从尺寸上看，手机经历了由大到小、再由小变大的变化过程，而且手机屏幕呈现出从无到有，屏幕占比越来越大，甚至发展为全面屏的趋势；从天线结构上看，手机天线从外置发展为内置、厚度由厚变薄。另外，对天线来说，屏幕可视为金属地板，天线通常需要远离金属地板才可以有效辐射电磁波。屏幕占比越大，可用于天线设计的净空（手机内的非金属区域）越小，天线设计遇到的挑战越大。
图1-3 手机外观和尺寸的变化
外置天线主要用于1G时代和2G时代早期。在那时，手机主要作为一种实用的通信工具，对其外形和尺寸没有特别的要求，典型的代表是20世纪90年代的手提电话（俗称“大哥大”）。外置天线的种类繁多，包括单极子天线、袖套天线、螺旋天线等 [5] 。摩托罗拉公司于1983年推出了世界上首部商用手机DynaTAC 8000X，这款手机的天线采用外置的单极子天线形式，天线的长度为四分之一波长（指工作波长）。
从2G时代中后期开始，人们希望能够去掉外置天线，以提升手机的便携性和可靠性，手机天线逐步演进成内置天线。将手机天线从外置改为内置，不仅可以让整个设备的外形更美观，还可以降低因手机意外跌落或磕碰导致天线损坏的概率，提高结构的可靠性。然而，将天线尺寸减小并塞入手机内部，将导致天线性能的下降。不过这种代价对整个移动通信系统来说是可承受的——从2G时代起，世界范围内的移动通信网络建设越来越完善，基站数量越来越多，分布越来越密集，基站天线的性能越来越强，这些措施足以弥补移动终端天线性能下降所产生的损失。
内置天线的形式有较多选择，包括印刷单极子天线、IFA（Inverted-F Antenna，倒F天线）、PIFA（Planar Inverted-F Antenna，平面倒F天线）、槽天线、环天线等。诺基亚公司在2003年推出了流行功能型手机2100，手机天线采用了PIFA形式，天线置于手机的顶部。由于有外壳遮盖，已经无法看出天线的外观和尺寸。
随着人们对手机外观的要求越来越高，手机厚度越来越薄，屏幕越来越大，导致可用于天线设计的净空越来越小，手机天线朝着与机体共形的方向发展。统一规划天线设计与手机结构成为趋势，手机的金属边框和金属后盖作为天线的一部分，统一进行集成设计。新材料、新工艺使得手机天线具有更高的设计自由度。苹果公司推出的iPhone 4智能手机使用了金属边框作为手机天线，不仅机械强度高，而且外形美观。值得一提的是，这是金属边框首次用于天线设计，引领了手机天线的设计潮流，自此，金属边框成为手机天线的主辐射体。
随着人们的需求从低速率的语音通信升级到高速率的视频通信，移动通信的传输速率越来越高。根据香农公式，增大频谱带宽是提升信道容量和传输速率的重要方式。从1G到5G，每代标准都会划分一些新的移动通信频谱，以满足移动通信的发展需求。为了便于区分各频段，ITU指导下的3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织将移动通信的频率分为FR1（450～6000 MHz）和FR2（24.25～52.6 GHz）这两个频段，即我们熟悉的Sub-6 GHz频段和毫米波频段。基于不同业务或运营商，每个频段又可细分为若干个窄带的频段，具体的主要频段划分如表1-2和表1-3所示。
表1-2 FR1的主要频段划分
注：SUL为Supplementary Uplink，补充上行链路。
表1-3 FR2的主要频段划分
在表1-2中，FDD（Frequency-Division Duplex，频分双工）的上下行通过频率区分，TDD（Time-Division Duplex，时分双工）的上下行通过时隙区分。在3GPP组织成立前，欧洲国家和美国各自划分频段。到了4G时代，3GPP组织统一命名通信频段，称之为LTE频段，包括LTE700、LTE2300等。然而，由于各国划分的LTE频段不一致，3GPP组织在定义LTE频段时无法像GSM频段一样较为规整，所以只能定义LTE支持的频段列表，供各国的运营商、通信设备制造商等参考。到了5G时代，3GPP组织统一用N来标识各个频段，国内运营商一般习惯用B来标识频段，比如中国移动支持B41频段等。
对于手机天线设计来说，并不需要区分上行或下行以及发射或接收等，只需要确定手机天线需要覆盖多大的带宽和哪些频段。FR1和FR2频段可粗略地分为4个频段，即698～960 MHz（低频段）、1710～2690 MHz（中高频段）、3300～6000 MHz（高频段）以及24.25～29.5 GHz（毫米波频段）。手机天线的设计目标是在尽量小的净空内覆盖这些频段的一部分或全部频段，并且使得辐射效率尽可能高。
从1G到5G，虽然天线在手机整机中的总尺寸在减小，但手机内的天线数量在快速增加，这主要由以下3个方面的需求推动。
第一个方面是频段的增加。2G时代的频段包括824～960 MHz和1710～2170 MHz这两个频段，单个天线即可覆盖。而5G标准在兼容2G标准的基础上，增加了3300～6000 MHz频段，单个天线难以覆盖如此宽的频段。为了解决这个问题，可根据实际应用场景使用多个天线分别覆盖不同的频段。
第二个方面是新技术的应用。考虑到无线频谱是一种昂贵而有限的资源，单纯依靠增加频段来提升传输速率的方式受到越来越多的制约。在频段固定不变的条件下，从2G时代开始，一些新的技术被引入移动通信，典型的技术有多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术和相控阵技术。使用这些技术可以在基站和移动终端同时布置多个天线，通过增加空间维度的复杂度来提高频谱利用率。
第三个方面是多种功能的集成。随着用户需求的变化，手机已经从功能机时代迈入了智能机时代，成为一个智能集成多功能便携式平台。手机不仅具有通信这一功能，还具有拍照、游戏、导航等功能。不同的功能可能需要不同类型的天线，而且其对应的工作频段不相同，这使得天线数量进一步增加。
一部手机可以视作一个微系统，集成了具有多种用途的模块。以无线传输这一用途为例，根据功能的不同，需要用到天线的模块包括移动蜂窝通信模块、Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真）模块、蓝牙模块、卫星导航模块、近场通信（Near Field Communication，NFC）模块、无线充电模块等。下面简单介绍这些模块。
移动蜂窝通信模块是手机天线设计中最复杂的模块，用于与基站建立通信。从1G到5G，移动蜂窝通信模块的天线需要支持的频段越来越宽，天线的数量也越来越多。手机内用于蜂窝通信的天线数量为6～14个。
Wi-Fi模块用于室内局域网，与无线路由器建立通信。Wi-Fi标准目前演进到了第7代，即IEEE 802.11be，工作频段是无须授权的工业频段，主要包括2.4 GHz频段和5 GHz频段。其中，2.4 GHz频段的频率范围是2.4～2.497 GHz，5 GHz频段的频率范围是5.15～5.85 GHz。由于工作频率较高、通信距离较短，Wi-Fi模块的天线数量较少。
蓝牙模块用于低成本、低功耗的近距离无线连接。蓝牙技术目前演进到了5.4版本。不同便携设备使用的蓝牙模块的工作频率有所区别，手机内蓝牙模块的工作频段是2.4 GHz频段。这个频段的蓝牙模块与Wi-Fi模块不仅共用同一个频段，还经常共用一个天线以节省天线空间。
卫星导航模块用于接收卫星信号，实现用户位置的实时定位。该模块的主流标准有美国的GPS（Global Positioning System，全球定位系统）[工作在1575.42 MHz频段（L1）和1176.45 MHz频段（L5）]、欧洲的“伽利略”系统（工作在1575.42 MHz频段）、俄罗斯的格洛纳斯系统（工作在1602 MHz频段），以及我国的北斗卫星导航系统（工作在1561 MHz频段）。由于卫星导航模块具有小带宽，而且一般只需具备接收能力，因此卫星导航模块的天线设计较为简单。随着手机直连卫星应用的兴起，更多的频段将被用于卫星通信。
近场通信模块用于超近距离非接触通信。最初由诺基亚和飞利浦等企业共同制定近场通信模块的标准，该模块工作在13.56 MHz频段。由于这个频段的波长非常长，手机内的近场通信天线属于电小尺寸天线，辐射能力非常弱，能够通过磁场感应实现电子支付、身份认证、数据交换、防伪等多种功能。
无线充电模块用于实现手机的无线充电功能。该模块的主流标准有Qi标准、PMA（Physical Medium Attachment，物理媒体连接）标准等。其中，Qi标准基于电磁感应原理，电磁波频率为100～205 kHz，适用于短距离的无线充电，其特点是兼容性强且传输效率高。目前市面上大部分无线充电产品都采用这一标准，该标准也是大众最熟悉的无线充电标准。
将这些模块组合在一起，便构成了一个多天线系统。手机内多天线的典型布局方案如图1-4所示。众多天线分布在手机平台内部各个位置。在这个典型的布局方案中，用于移动通信的众多天线主要分布在金属边框上，通过设置断点来有效辐射能量。其中，低频段天线的数量为2个，分别放置于手机的底部和侧壁；中高频段与新空口天线的数量为4个，分别放置于金属边框的4条边上；Wi-Fi天线的数量为2个，放置于手机的左上角；GPS天线的数量为1个，放置于手机的顶部；毫米波天线的数量为3个，放置于手机后盖内侧；超宽带天线的数量为3个，放置于手机后盖内侧；近场通信天线与无线充电线圈同样放置于手机后盖内侧。可见，这个典型布局方案中包含至少17个天线。目前移动通信已经演进到了5G时代，移动通信的工作频率更高、功能更广泛，手机内的移动蜂窝通信模块需要部署多个天线，才能实现高速无线数据传输和多功能应用。
图1-4 手机内多天线的典型布局方案
在这些功能模块中，Wi-Fi模块的天线与蓝牙模块的天线可共用，卫星导航模块的工作频段极窄，用一个小尺寸天线即可覆盖。因此，手机天线的设计难点在于覆盖移动蜂窝通信频段。基于此，本书主要介绍移动蜂窝通信模块中的天线设计。