一文带你全面认识手机天线

你知道一部手机有多少种无线通信系统吗？》根据手机的规格参数，我们分析了手机可以支持的无线通信系统。如今，智能手机可以支持多达七种无线通信系统，每一种都包括多个无线频段。单蜂窝通信是手机最基本的无线功能，也多达 60 涵盖多个频段 2G、3G、4G、5G。不得不说，目前的智能手机确实是电子设备中最精致的设计。它以最高的芯片制造技术支持最复杂的无线环境，还拥有超级牛相机、游戏机和视频播放机。

不得不为我们的通讯人竖起大拇指，点一个大大的赞。

(智能手机结构图)

上图是智能手机的功能示意图。随着芯片技术的发展，手机可以在小体积内实现如此复杂的功能。无线射频收发模块也集成在几个小的 RFIC 但是天线呢？这种与电磁波波长强相关的射频器件很难缩小到 IC 而且还要支持这么多频段。

今天我们来探讨一下手机天线是如何一点一点缩小到手机的。

No.1 最初的手机天线

最早的手机天线是什么？首先，最早的手机天线必须用在最早的手机上。在 2023 在年巴塞罗那通信展上，GLOMO 个人终身成就奖获得者 Martin Copper 是现在手机的发明人，第一款真正意义上的手机是马丁老人面前的这些大哥。马丁先生在摩托罗拉实验室打通了第一个手机。

看不见，大哥头上的长杆子就是第一个手机天线，学名叫单极子天线，俗称鞭状天线。

单极子天线是最古老的天线形式之一，单极子天线应用于马可尼的跨大西洋通信。马可尼应用的发射天线来自 48m 斜拉下高横挂线 50 根铜线形成的扇形结构可以认为是第一个实用的单极天线，冲击源是 70Hz 然后使用火花发生器 4 座木塔架设导网，形成方形单锥天线，如图所示，发射波长 1000m。

然后，随着无线电工作频率的增加，电磁波波长越来越短，单极子天线越来越小。长期以来，单极子天线是无线设备的常用天线。

在 1944 2000年，在摩托罗拉申请的第一项移动通信设备专利（专利号：US2439411A）中，专利申请中出现了单极子天线，专利是否与后来的大哥非常相似。

单极子天线结构简单，调整方便，尺寸仅为同一工作频率的偶极子天线的一半。其工作原理图如下图所示，单极子天线的单臂通过镜像辐射，可以等效为无限大。

若单极子天线无限大，其辐射方向性图也相当于偶极子的一半。

然而，移动设备无法提供无限的土地，因此单极子天线的实际方向图将发生变化。以下是我们使用模拟软件通过改变单极子天线的大小获得的天线方向图。奇怪的是，随着单极子天线的土地越来越小，它的方向图将越来越接近偶极子。

这种垂直于地面的单极子天线可以在水平方向上提供完美的全向辐射方向图，非常有利于手机的应用。但在垂直方向上并不好，特别是在轴上，有一个大的辐射坑，信号根本不会进入坑。所以，你不能把它放在家里 WiFi 天线正对着你的手机...

然而，大头对美观影响太大，所以工程师们思考如何小型化单极子。更常见的方案是将单极子辐射线制成螺旋状，以压缩天线的体积。或者做成拉伸结构，不用的时候缩起来。

这种利用螺旋线缩小单极子天线尺寸的方法也被广泛应用于手机中。例如，早期的摩托罗拉手机和诺基亚手机，天线变成了一个小萝卜头。

可以折叠单极子天线，直接封装在手机里吗？

No.2 手机天线看不见

单极子天线竖起可以使用，那么折叠起来可以使用吗？ 因此，有人工改造单极子的第一步。

同轴单极子天线能做成微带单极子天线吗？当然可以，微带单极子也可以弯曲，做成倒 L 单极子的形状。

众所周知，偶极子天线的特征阻抗是 73.1 单极子天线的特征阻抗约为偶极子的一半 36.5 在设计过程中，欧姆需要匹配我们通常使用的东西 50 在欧姆馈线阻抗中。为进一步改善倒下 L 天线工程师正在倒置单极子的阻抗匹配 L 馈电前面增加了一个接地点，做成倒置 F 形状天线，即常见的天线 IFA 天线。进一步把 IFA 用平板电脑实现辐射部分，以改善天线的带宽，平面倒置 F 天线 PIFA。

下图显示了单极子天线的演化过程。

下图为平面倒 F 天线的基本结构，单极辐射单元进化成大辐射片，放置在天线上方，通过短路过孔在馈电点附近实现短路，实现阻抗匹配。平面倒 F 天线需要一个相对较厚的结构来实现，这是诺基亚手机中应用最广泛的。同时，摩托罗拉手机仍然热衷于倒车 L 或者 IFA 天线，这也可能是摩托罗拉手机一直比诺基亚薄的一个因素。

诺基亚 3210 第一款使用 PIFA 手机的天线。在 1987 年，诺基亚推出了第一款手机 Nokia Mobira Cityman，还是用长杆做手机天线，慢慢把天线缩成小萝卜头。在 1999 年，在 Nokia3210 上面，天线终于完全集成在手机中，用户看不见。这款 Nokia3210 也成为手机史上最畅销的产品，总销量高达 1.6 亿部。

在 IFixt 在网站提供的拆解报告中，我们终于找到了这个 PIFA 天线的真面目，不清楚中间的小孔是不是短路点。

来源：iFixt

当然在 2000 年，移动通信网络还是比较简单的，Nokia 3210 历史上最畅销的手机只支持 GSM 和 DCS 蓝牙频带，蓝牙，Wifi，智能手机上最基本的无线功能，如卫星导航等，都是 0。

网络环境相对单一，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，手机需要支持多达，只需要满足基本的蜂窝通信功能 60 涵盖多个频段 2G、3G、4G、5G 几乎所有仍在使用的频段，以及蓝牙，Wifi，对卫星等频段的无线通信要求。

No.3 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。最简单的方法就是把所需的每一个天线都放在上面，比如 Palm 这款手机背面集成了 GPS 天线，以及 GSM 的低频 900MHz 和高频 1800MHz 天线，并在右上角增加了分机天线。

很长一段时间以来，手机天线都是这样设置的。在塑料后盖上印刷天线是一个很好的成本和空间利用设计。这种天线是用外部金属片或其他结构拉出天线的，即 FPC 天线。

苹果从第一代苹果手机到 iPhone 3GS 所有这些都用在上面 FPC 天线，用塑料薄膜密封铜薄膜做成柔性天线，放在手机的塑料外壳里。

2010 2000年，苹果推出 IPhone4给手机天线设计带来了革命性的变化。它首次将手机的金属边框作为辐射体，将天线设计与结构部件完美融合，开创了边框天线时代。

iPhone 4 手机的主天线不仅在外壳的侧面，而且与手机内部的另一个天线相结合。复杂形状的金属片焊接在外壳的侧面，以支持不同国家的多个波段。

这种全新的天线设计曾经因为“天线门”而被热搜，很多用户反映“用手紧握” iPhone4 移动网络的信号在几分钟内完全衰减到无法通话的水平。”

原因也很清楚。框架天线直接暴露在手机外，很容易受到外界的干扰。首先，人体的介电常数会改变天线的工作频率，影响天线的效率；第二，这种通过断点设置天线不同工作频率的方法。如果人体碰巧接触到断点，很容易使断点失效，因为人体是导体。

但是，有问题也没关系。解决了就行了。最怕遇到问题，不敢创新。 iPhone4 苹果的天线工程师很快解决了遇到的问题，解决方案也很简单。 iPhone4S 在上面，我们可以看到，在边框上增加了另一个断点，手机信号完美复活。

无论如何，这种边框天线极大地促进了移动终端天线的进步，也激发了移动终端天线设计的新思路：天线与结构功能的融合。华为 Mate60 我还注意到，摄像头的边框也被设计成天线 ——NFC 天线。

在论文中，苹果手机边框天线的具体设计还没有找到任何具体信息《Overview of Future Antenna Design for Mobile Terminals》详细介绍了手机金属边框天线的设计结构和原理。在金属边框中，通过巧妙的分割和接地，可以实现倒置 L 天线，倒 F 多种天线设计，如天线、环形天线等，以满足当前手机多频段多系统的要求。

这里先介绍一下手机天线的发展。任何问题，留言或 V 私聊。

参考文献

1，https://www.dnxtw.com/d/file/bigpic/202409/15-pp7，5G 移动终端天线设计

本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：RF 小木匠

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