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无线连接技术的发展,促使天线行业的快速成长

艾邦产业通 2018-03-19 09:37 次阅读

一、无线连接技术的发展,促使天线行业的快速成长

智能手机是当今世界上使用最广泛、最通用的电子设备。据IHS预计,自2017年起全球智能手机年出货量将超过15亿部。当前市场上用户更关注手机的功能,如屏幕、相机、内存、处理器和软件等;而位于射频前端的天线由于处于远离用户的通信技术底层,因此通常会被用户忽略,但它实际上正是智能手机的关键。作为无线通信不可缺少的基础一环,天线的技术革新是推动无线连接向前发展的核心引擎之一。在5G和物联网趋势下,天线是未来成长最快且最确定的行业之一。

天线是用于收发射频信号的无源器件,决定了通信质量、信号功率、信号带宽、连接速度等通信指标,因此是通信系统的核心。智能手机包含的Cellular(LTE/ TD-SCDMA/ FD-SCDMA/ WCDMA/ CDMA2000/ GSM等)、BT、Wi-FiGPSNFC等诸多射频前端功能模块使得文字/语音/视频通信、上网、音视频浏览、定位、文件传输、刷卡、广播等应用得以实现,而这些功能的实现又直接依赖于天线进行信号的发射与接收,因此天线成为终端设备无线通信的重要基础。以iPhone 6s为例,其通信模块包括:2/3/4G Cellular模块,用于无线局域网连接的Wi-Fi模块,用于无线私域网连接的BT模块(蓝牙模块),用于全球定位系统的GPS模块,以及用于近场通信的NFC模块(功能包括信息识别、文件传输、刷卡消费等)。

图  iphone 6s天线构架及其Cellular/WIFI/BT/GPS/NFC天线设计

二、软板是终端天线主流工艺

终端设备天线具有多样化的应用环境和工艺方案,软板已成为主流工艺。按照在通信网络中的应用,天线可分为网络覆盖传输天线和终端天线。其中网络覆盖传输天线主要为基站天线,终端天线即无线通信终端天线,主要包括手机天线、手机电视天线、笔记本电脑天线、数据卡天线、AP 天线、GPS天线等。对于智能手机天线应用,随着手机外观设计的一体化和内部设计的集成化,手机天线已从早期的外置天线发展为内置天线,并且形成了以软板为主流工艺的市场格局,目前软板天线市场占有率已超过7成。

图 天线分类以及智能手机主流天线工艺方案比较

软板又名柔性电路板,是以柔性覆铜板(FCCL)制成的一种具有高度可靠性,绝佳可挠性的印刷电路板,具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。软板的应用几乎涉及所有电子产品,如硬盘驱动器的带状引线、汽车电子、照相机、数码 摄像机、仪器仪表、办公自动化设备、医疗器械等领域。对于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等,软板被用于制造射频天线和高速传输线。随着手机、平板、笔记本电脑和可穿戴设备等高端小型化电子产品的发展,对软板的需求越来越大,市场空间已超120亿美元。

图 软板在智能手机、笔记本电脑中的应用举例

三、传统软板遭遇瓶颈,LCP成为新的软板工艺

从通信网络到终端应用,通信频率全面高频化,高速大容量应用层出不穷。近年来随着无线网络从4G向5G过渡,网络频率不断提升。根据5G发展路线图,未来通信频率将分两个阶段进行提升。第一阶段的目标是在2020年前将通信频率提升到6GHz,第二阶段的目标是在2020年后进一步提升到30-60GHz。在市场应用方面,智能手机等终端天线的信号频率不断提升,高频应用越来越多,高速大容量的需求也越来越多。为适应当前从无线网络到终端应用的高频高速趋势,软板作为终端设备中的天线和传输线,亦将迎来技术升级。 

图 2017-2025年期间,终端应用的通信频率和数据速率不断提高

图 左:软板数据传输速度增长示意图,右:尺寸、数据容量变化趋势

传统软板具有由铜箔、绝缘基材、覆盖层等构成的多层结构,使用铜箔作为导体电路材料,PI膜作为电路绝缘基材,PI膜和环氧树脂粘合剂作为保护和隔离电路的覆盖层,经过一定的制程加工成PI软板。由于绝缘基材的性能决定了软板最终的物理性能和电性能,为了适应不同应用场景和不同功能,软板需要采用各种性能特点的基材。目前应用较多的软板基材主要是聚酰亚胺(PI),但是由于PI基材的介电常数和损耗因子较大、吸潮性较大、可靠性较差,因此PI软板的高频传输损耗严重、结构特性较差,已经无法适应当前的高频高速趋势。

图 PI软板与LCP软板的剖面结构

液晶聚合物(LCP)是一种新型热塑性有机材料,可在保证较高可靠性的前提下实现高频高速软板。LCP具有优异的电学特征:(1)在高达110GHz的全部射频范围几乎能保持恒定的介电常数,一致性好;(2)正切损耗非常小,仅为0.002,即使在110 GHz时也只增加到0.0045,非常适合毫米波应用;(3)热膨胀特性非常小,可作为理想的高频封装材料。目前LCP主要应用在高频电路基板、COF基板、多层板、IC封装、u-BGA、高频连接器、天线、扬声器基板等领域。随着高频高速应用趋势的兴起,LCP将替代PI成为新的软板工艺。 

图 LCP软板相比PI软板更具优势

四、替代PI软板和同轴电缆,LCP软板可实现更高程度的小型化

随着全面屏、更多功能组件、更大电池容量等趋势持续压缩手机空间,天线可用设计空间越来越小,天线小型化需求日益迫切。(1)全面屏并不意味手机有更多主板空间,虽然手机长宽变大,但厚度继续下降。(2)智能手机集成的功能组件越来越多,比如传感器和摄像头等,挤占了宝贵空间。(3)更大屏幕尺寸和更多功能组件对电量的消耗急剧增加,而电池密度通常每年只增加10%,增加的电能需求使电池体积越来越大。以上三点变化的结果是,尽管智能手机被加入更多的射频功能,但是天线的空间却保持不变,甚至被压缩。因此,智能手机厂商对高集成度天线模组的需求也越来越强烈。

图 近十年手机厚度变化和手机天线结构设计小型化趋势

LCP软板具有更好的柔性性能,相比PI软板可进一步提高空间利用率。柔性电子可利用更小的弯折半径进一步轻薄化,因此对柔性的追求也是小型化的体现。以电阻变化大于10%为判断依据,同等实验条件下,LCP软板相比传统的PI软板可以耐受更多的弯折次数和更小的弯折半径,因此LCP软板具有更好的柔性性能和产品可靠性。优良的柔性性能使LCP软板可以自由设计形状,从而充分利用智能手机中的狭小空间,进一步提高空间利用效率。以村田制作所的MetroCirc产品为例,对于跨越电池的软板连线,其LCP软板可以完美贴合,而传统PI软板在回弹效应的影响下无法较好的贴合电池表面,造成空间浪费。

图 LCP软板相比PI软板具有更好的柔性性能,进一步提高空间利用率和软板可靠性

LCP软板替代天线传输线可减小65%厚度,进一步提高空间利用率。传统设计使用天线传输线(同轴电缆)将信号从天线传输到主板,随着多模多频技术的发展,在狭小空间内放置多根天线传输线的需求愈发迫切。LCP软板拥有与天线传输线同等优秀的传输损耗,可在仅0.2毫米的3层结构中携带若干根传输线,并将多个射频线一并引出,从而取代肥厚的天线传输线和同轴连接器,并减小65%的厚度,具有更高的空间效率。

图 LCP软板替代天线传输线,具有更高的空间效率

原文标题:LCP软板取代传统软板,成为终端设备天线主流工艺

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