你知道手机里有多少无线通信系统吗？根据手机的规格和参数，我们分析了现在手机可以支持的无线通信系统。现在的智能手机可以支持多达7个无线通信系统，每个系统都包括很多无线频段。光是蜂窝通信，手机最基本的无线功能，就有60多个频段，覆盖2G、3G、4G、5G。不得不说，现在的智能手机真的是电子设备最本质的设计，用最高的芯片制造技术支持最复杂的无线环境，同时也是超级摄像头、游戏机、影音播放器。
我不得不为我们的记者竖起大拇指，并大加赞赏。
(智能手机结构图)上图是一部智能手机的功能示意图。随着芯片技术的发展，一部手机可以在很小的体积内实现如此复杂的功能。射频收发模块也集成在几个小RFIC里，但是天线呢？这种与电磁波波长有很强相关性的射频器件，很难缩减到ic，还支持那么多频段。
今天我们就来探讨一下手机天线是如何一点一点还原到手机上的。
1号，初始手机天线
最早的手机天线是什么样的？首先，最早的手机天线肯定是用在最早的手机上的。2023年巴塞罗那通信展上，GLOMO个人终身成就奖获得者马丁·库珀(Martin Copper)是现在手机的发明者，第一部真正意义上的手机就是下面马丁老人面前的手机。正是在摩托罗拉的实验室里，马丁神父发明了第一部手机。
看，手机头上的长杆就是第一个手机天线，科学上叫单极天线，通俗上叫鞭状天线。
单极天线是最古老的天线形式之一，曾用于马可尼的跨大西洋通信。马可尼的发射天线是从一根48m高的水平吊线上斜拉50根铜线形成的扇形结构，可以算是第一个实用的单极天线。振荡器是一个70Hz的火花发生器，然后用四个木塔架设一个钢丝网形成一个方形的单锥天线，如图所示，发射波长1000m。
然后随着射频的增加，电磁波的波长越来越短，单极天线的尺寸越来越小。长期以来，单极天线是无线设备的常用天线。
1944年，摩托罗拉申请了第一项移动通信设备专利(专利号:US2439411A)，专利申请中出现了单极天线。这个专利是不是和后来的手机很像？
单极子天线结构简单，调谐方便，尺寸仅为相同工作频率的偶极天线的一半。其工作原理图如下图所示，通过将单极天线的单臂镜像到无穷远，可以实现偶极天线的双臂辐射。
如果单极天线的地是无限大的，它的辐射方向图也是偶极子的一半。
但是，移动设备不可能提供无限大的地，所以单极天线的实际方向性图会发生变化。以下是通过仿真软件改变单极天线的接地尺寸得到的天线方向图。单极天线的地面尺寸越来越小，它的方向图会越来越接近偶极子，是不是很奇怪？
这种垂直于地面的单极天线可以在水平方向提供完美的全向辐射方向图，非常有利于手机的应用。但是在垂直方向就不好了，尤其是轴上，有一个很大的辐射坑，信号根本不进这个坑。所以一定不要把家里的WiFi天线对着手机。......
但是大尺寸太不美观了，工程师们都在思考如何小型化单极子。常见的方案是将单极子的辐射线做成螺旋形，以减小天线的尺寸。或者做成拉伸的结构，不用的时候收起来。
这种利用螺旋线来缩小单极天线尺寸的方式也在手机中得到了广泛的应用。例如，在早期的摩托罗拉电话和诺基亚电话中，天线变成了萝卜头。
能不能把单极天线折叠起来直接封装在手机里？
no . 2隐形手机天线
单极天线竖起来就工作，但是可以折叠吗？
于是就有了单极人工改造的第一步。
同轴单极天线可以做成微带单极天线吗？当然可以，微带单极子也可以白万，做成倒L形单极子。
我们知道，偶极子天线的特征阻抗为 73.1 欧姆，单极子天线的特征阻抗为偶极子的一半，约为 36.5 欧姆，在设计过程中需要匹配倒我们通常用到的 50 欧姆馈线阻抗中。为了进一步改善倒 L 单极子的阻抗匹配，天线工程师们在倒 L 的馈电前面增加了一个接地点，做成了一个倒 F 形状的天线，也就是常见到的 IFA 天线。进一步把 IFA 的辐射部分用平板来实现，来改善天线的带宽，就出现了平面倒 F 天线 PIFA。我们知道，偶极天线的特性阻抗是73.1欧姆，单极天线的特性阻抗是偶极的一半，大约是36.5欧姆。在设计过程中，需要与常用的50欧姆馈线阻抗相匹配。为了进一步提高倒L单极子的阻抗匹配，天线工程师在倒L馈电前增加了接地点，做成倒F形天线，也就是常见的IFA天线。此外，IFA的辐射部分由平板实现，以提高天线的带宽，并且出现了平面倒F天线法披。
下图显示了单极天线的演变过程。
下图显示了平面倒F天线的基本结构。单极子的辐射单元演变成一个大的辐射片，放置在天线地的上方，辐射片在靠近馈电点的位置通过短路过孔短路，实现阻抗匹配。平面倒F天线需要较厚的结构来实现，在诺基亚手机中广泛使用。同时，摩托罗拉手机仍然热衷于倒L或IFA天线，这可能是摩托罗拉手机总是比诺基亚薄的原因之一。
诺基亚3210是第一款使用法披天线的手机。1987年，诺基亚推出了第一款手机诺基亚Mobira Cityman，仍然使用一根长杆作为手机的天线，将天线慢慢收缩成萝卜头。1999年，在Nokia3210上，天线终于完全集成到手机中，用户看不到了。这款Nokia3210也成为了手机史上最畅销的产品，总销量达到了1.6亿台。
在IFixt网站提供的拆解报告中，我们终于找到了这款法披天线的真面目，不清楚中间的小孔是不是它的短路点。
来源:iFixt当然，2000年的时候，移动通信网络还比较简单。历史上最畅销的手机诺基亚3210只支持GSM和DCS频段。智能手机上的蓝牙、Wifi、卫星导航等基本无线功能都是0。
网络环境相对简单，天线设计不太复杂。通常的双频天线可以满足手机的通信要求。现在一部手机只需要满足基本的蜂窝通信功能，就需要支持多达60个频段，几乎覆盖了目前仍在使用的所有频段，还有蓝牙、Wifi、卫星等频段的无线通信需求。
3号智能手机天线
现在手机支持的无线通信频段越来越多，需要的天线也越来越多。最简单的方法是把所有需要的天线。比如Palm手机背面集成了GPS天线，低频900MHz的GSM天线和高频1800MHz的GSM天线，右上角增加了扩展天线。
长期以来，手机天线都是这样设置的。塑料后盖上印刷天线，从成本和利用率来看都是不错的设计。这种用外部金属片或其他结构拉出的天线，也叫FPC天线。
苹果从第一代苹果手机到iPhone 3GS都采用了这种FPC天线。柔性天线由塑料薄膜和铜薄膜制成，放置在手机的塑料外壳中。
2010 年，苹果公司推出的 Iphone4，给手机天线设计带来了革命性的变化，第一次把手机的金属边框作为辐射体，将天线设计和结构件完美融合在一起，开创了边框天线的时代。2010年，苹果推出了Iphone4，给手机的天线设计带来了革命性的变化。首次将手机金属边框作为辐射体，将天线设计与结构件完美融合，开创了框架天线时代。
iPhone 4手机的主天线不仅在机壳侧面，还和手机内部的另一根天线结合在一起。外壳侧面焊接有形状复杂的金属板，以支持不同国家的不同乐队。
这种全新的天线设计一度因为“天线门”而被热搜，很多用户反映“用手紧紧握住iPhone4时，其移动网络的信号会在几分钟内完全衰减到不能通话的程度。”
原因也很清楚。框架天线直接暴露在手机外面，非常容易受到外界干扰，尤其是拿着手机的时候。第一，人体的介电常数会改变天线的工作频率，影响其效率。其次，如果人体刚好碰到断点，很容易使断点无效，因为人体是导体。
但是，有问题不要紧，解决就好。最怕的是怕遇到问题，不敢创新iPhone4上遇到的问题。很快就被苹果的天线工程师解决了，解决方案非常简单。在之后推出的iPhone4S上，我们看到边框上加了一个断点，手机信号完美复活。
无论如何，这种框架天线极大地推动了移动终端天线的进步，也启发了移动终端天线设计的新思路:天线与结构功能的一体化。在华为的Mate60上，我也注意到摄像头的边框也被设计成了天线——NFC天线。
目前还没有关于苹果手机边框天线具体设计的具体信息。在《未来移动终端天线设计概述》一文中，详细介绍了手机金属边框天线的设计结构和原理。通过巧妙的划分和接地，可以在金属框架内实现倒L天线、倒F天线、环形天线等多种天线设计，满足多频段、多制式手机的需求。
这里先介绍手机天线的发展。有问题可以留言或者和+V私聊。
参考
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-imqqsmrn 9174393 . d . html；
4、https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329;
5、https://zhuanlan.zhihu.com/p/100421364
6、https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329
7,5G移动终端的天线设计
本文来自微信微信官方账号:RF学堂(ID: RF _ center)，作者RF Carpenter。
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