一文带你全面认识手机天线
在《你知道一个手机究竟有多少种无线通信系统吗？》我们根据手机的规格参数，分析了现在手机所能够支持的无线通信系统。现在的智能手机居然能够支持多达多达七种无线通信系统，并且每一种又包括很多个无线频段。就单单蜂窝通信这种手机最基本的无线功能，也多达60多个频段，涵盖2G，3G，4G，5G。不得不说，现在的智能手机真的是电子设备中最精华的设计，用最高的芯片制造工艺，支持着最复杂的无线环境，而且还超级牛的照相机，游戏机，影音播放机。
不得不为我们通信人竖起大拇指，点个大大的赞。
（智能手机结构图）
上图是一个智能手机的功能示意图，现在芯片技术的发展，让一个手机在小小的体积内就可以实现如此复杂的功能。无线射频收发模块也集成在了几个小小的RFIC内，可是天线怎么办？这种与电磁波波长强相关的射频器件，是很难缩小到IC中的，并且还要支持如此多的频段。
我们今天一起来探究一下，手机天线到底是如何一点一点缩小到手机里的呢？
No.1
最初的手机天线
最早的手机天线是什么样的呢？首先最早的手机天线肯定是用在最早的手机上的。在2023年巴塞罗那通信展上，GLOMO个人终身成就奖的获得者Martin Copper就是现在手机的发明人，而第一款真正意义上的手机就是下图马丁老爷子面前的这几款大哥大。马丁老爷子就是在摩托罗拉实验室打通了第一个移动电话。
看到不，大哥大脑袋上顶着的那根长长的杆子就是第一款手机天线，学名叫做单极子天线，俗名叫做鞭状天线。
单极子天线是最最最古老的天线形式之一，在马可尼的跨大西洋通信中就是应用了单极子天线。马可尼应用的发射天线是从48m高的横挂线斜拉下50根铜导线形成的扇形结构，可认为是第一副实用的单极天线，震荡源是70Hz的火花发生器，随后又利用4座木塔架设导线网构成方形单锥天线，如图所示，发射波长1000m。
而后，随着无线电工作频率的升高，电磁波波长也越来越短，单极子天线的个头就越来越小，在很长的一段时间内，单极子天线都是无线设备的一种常用天线。
在1944年，摩托罗拉申请的第一个可移动通信设备的专利（专利号：US2439411A）中，单极子天线就出现在了专利申请书上，而这个专利是不是很像后来的大哥大。
单极子天线结构简单，调谐方便，尺寸仅仅是相同工作频率的偶极子天线的一半，其工作原理图如下图所示，一个可等效为无限大的地将单极子天线的独臂通过镜像的方式实现偶极子天线的双臂辐射。
如果单极子天线的地为无穷大的话，其辐射方向性图也相当于偶极子的一半。
但是移动设备不可能提供一个无穷大的地，所以单极子天线的实际方向性图会变化。下面是我们利用仿真软件通过改变单极子天线的地的大小得到的天线方向性图，是不是很奇怪，随着单极子天线的地越来越小，它的方向性图会变得越来越接近偶极子。
这种垂直于地面的单极子天线在水平方向上可提供一个完美的全向辐射方向图，非常有利于手机的应用。但是在垂直方向上就不好了，尤其是在轴线上，有一个大大的辐射凹坑，信号根本就不往这个凹坑里面走。所以，一定不能把家里的WiFi 天线正对着你的手机......
但是大大的个头是在是太影响美观了，于是工程师们就想着如何进行单极子小型化，比较常见的方案是把单极子的辐射线做成螺旋状的来压缩天线的体积。抑或是做成拉伸结构的，不用的时候就缩起来。
这种利用螺旋线来缩小单极子天线尺寸的方式也曾广泛地应用在手机中。比如早期的摩托罗拉手机和诺基亚手机，天线就变成了一个小萝卜头的样子。
No.2
看不见的手机天线
单极子天线竖起来能用，那么折起来能用吗? 所以就有了人工改造单极子的第一步。同轴单极子天线能否做成微带单极子天线呢？当然是可以的，并且微带单极子还可以掰弯，做成倒L形状的单极子。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。下图是平面倒F天线的一个基本结构，单极子的辐射单元进化成了一个大大的辐射片，放置在天线地的上方，在馈电点附近的一个位置通过一个短路过孔实现辐射片的短路，来实现阻抗匹配。平面倒F天线需要一个比较厚的结构来实现，在诺基亚手机中应用最为广泛，同时代的摩托罗拉手机还是比较热衷于倒L或者IFA天线，这可能也是摩托罗拉手机一贯比诺基亚薄的一个因素之一吧。
诺基亚3210是第一款使用PIFA天线的手机。在1987年，诺基亚推出第一款手机Nokia Mobira Cityman，依然用的是长长的杆子做手机天线，慢慢的把天线缩成了一个小萝卜头，在1999年的时候，在Nokia3210上，天线终于完全集成在了手机内，用户看不见了。这款Nokia3210也成为了手机史上最畅销产品，总销量高达1.6亿部。在IFixt网站提供的拆解报告中，我们终于找到了这款PIFA天线的真面目，不清楚中间的那个小孔是不是它的短路点。
当然在2000年的时候，移动通信网络还比较简单，Nokia 3210 这款史上最畅销手机也仅支持GSM 和DCS 频段，蓝牙，Wifi， 卫星导航等现在智能手机上最基本的无线功能，统统都为0。
网络环境比较单一，天线的设计也不太复杂，通常的双频天线就可以满足手机的通信要求。而现在一个手机仅仅要满足基本的蜂窝通信功能，就需要支持多达60多个频段，涵盖 2G，3G，4G，5G 目前还在使用的几乎所有频段，而且还有蓝牙，Wifi，卫星等频段的无线通信要求。No.3
智能手机的天线
现在手机支持的无线通信频段越来越多，所需要的天线也就越来越多，最简单的方法就是把所需要的每一种天线都放上去，比如在Palm这款手机的背面就集成了 GPS天线，以及GSM的低频900MHz和高频1800MHz的天线，并且在右上角还加了一个分机天线。
在很长的一段时间内，手机天线都是这样设置的，在塑料后盖上印刷天线，从成本和空间利用上来说都是一个不错的设计。这种把天线拉出来用外部金属片或者其他结构实现的天线，也就是FPC天线。苹果公司从第一代苹果手机直到iPhone 3GS 上，都采用了这种FPC天线，利用塑料膜封塑铜薄膜做成柔性天线，放置在手机的塑料外壳内。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。iPhone 4手机的主天线，不仅在机壳的侧面，而是与手机内部的另一天线结合构成的。机壳侧面焊接着形状复杂的金属片，用来支持各个国家不同的多个波段。这种全新的天线设计，一度还因为“天线门”而上了热搜，很多用户反映“在用手紧握iPhone4的时候，其移动网络的信号就会在数分钟内完全衰减到无法通话的水平。”原因也很明了，边框天线直接暴露在手机外面，非常容易被外界干扰，尤其是手握电话的时候，第一，人体的介电常数会改变天线的工作频率，影响天线的效；其二，这种通过断点来设定天线不同工作频率的方法，如果人体刚好接触到断点，由于人体是个导体，很容易使断点失效。不过，有问题不要紧，解决了就行了，最怕的是怕遇到问题而不敢去创新iPhone4 上遇到的问题，很快就被苹果公司的天线工程师解决了，而解决方案也非常简单，在后面推出的iPhone4S上，我们看到，在边框上又增加了一个断点，手机信号就完美复活了。
无论如何，这种边框天线都极大地促进了移动终端天线的进步，也启发了移动终端天线设计的一个新思路：天线和结构功能相融合。在华为的Mate60上，我还注意到，摄像头的边框也被设计成了一个天线——NFC 天线。苹果手机边框天线的具体设计，目前还查不到什么具体资料，在论文《Overview of Future Antenna Design for Mobile Terminals》中详细介绍了手机金属边框天线的设计结构和原理。通过巧妙地分割和接地，在金属边框中可以实现诸如倒L天线，倒F天线，环形天线等多种天线设计，以满足现在手机多频段多制式的要求。参考文献
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-imqqsmrn9174393.d.html；4，https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329；5，https://zhuanlan.zhihu.com/p/1004213646，https://zhuanlan.zhihu.com/p/58163329
