【科普】5G终端天线设计，到底有多难？

说到“终端”，相信大家一定不会觉得陌生。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。各类设备联网之后，都变成了终端设备，统称为物联网终端。

 

IoT，Internet of Things（物联网）

 

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，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！