手机天线都去哪里了？

在手机的演变历程中，天线的设计和位置一直是工程师们不断探索和创新的领域。你是否好奇，现在的手机为什么看不到那些曾经显眼的天线了呢？

让我们一起揭开这个谜题。

首先，让我们从基础开始：手机是如何发出电磁波的？答案是依靠天线。当一根金属天线被通上交流电时，它内部的电子会来回振荡，形成振荡的电偶极子，从而发射出电磁波。这个电磁波的波长与天线的尺寸是紧密相关的。

偶极子天线

上图是偶极子天线（Dipole antenna），它的理想长度通常是工作波长的一半，这样就可以获得较好的天线效率和较宽的工作带宽。

要确定天线的尺寸，我们首先需要知道最低的工作频率，因为最低频率对应着最长的波长。

例如，如果我们的低频段频率是810 MHz，那么根据波长公式 c/f（光速c除以频率f），我们可以计算出波长大约为37厘米，半波长大约是18.5厘米。然而我们的手机的度一般在12到17厘米之间。由此可见，如果天线长度为18.5厘米，可能与手机的长度相当，甚至超出手机的长度。这对于手机的外观设计和内部空间布局都是一大挑战。

因此，在工程上，手机天线的设计通常是基于单极子天线的原理。单极子天线是一种垂直于地面放置的天线，它的尺寸对于偶极子天线来说，只需要偶极子天线的一半，也就是波长的四分之一，结构更为简单，占用空间更小。

但是在这里要注意哈：为了在移动/蜂窝电话频率下获得有效辐射，天线本质上是整个设备的大小。也就是说天线不再是一个孤立的组件，而是使用手机的整个结构（接地平面）来制作天线。

同时，为了小型化等需求，我们不断的折腾天线的形状。比如说，把单极子天线掰弯成L形，这样天线就不用直直立着了。

这里我们又要说一下阻抗的问题了，在“为什么是 50 欧姆 ？”文章中我们详细聊过。在阻抗方面，为了进一步提升倒L型单极子天线的阻抗匹配性能，使其50Ohm馈线阻抗相兼容，工程师们在L形天线的馈电端前引入了额外的接地点，形成了倒F形结构，即IFA天线：

随后，为了拓宽天线的工作带宽，工程师们采用平板结构来替代IFA天线的辐射部分，从而发展出了平面倒F天线，简称PIFA，整个天线的形状像个倒写的英文字母F，因而得名。

PIFA天线有很多优点：频带宽，增益高等等。但是它有一个缺点：为了确保天线能够正常工作，其辐射单元到接地平面的垂直距离通常需要保持在6mm以上。

啥意思呢？就是咱们的手机没法做得更薄了。

然而，6mm这一限制并非绝对，更多是出于设计上的考虑，以确保天线在手机内部能正常工作。天线设计师可能会采用各种创新方法来克服这一限制，比如使用更先进的材料、优化天线形状或利用手机内部的其他结构（如金属框架）来改善天线性能。

下面我们具体看看各个 G 时代的天线是啥样的。

咱们大哥大1G时代，通信频段大约在800MHz，对应的波长为37.5cm，这要求天线长度至少为 9.375cm，这使得天线不得不突出在手机机身之外。不过此时天线并不需要复杂的设计，大部分为上面我们说的直矗矗的单极天线。

下图是1983年第一台商用手机Motorola DynaTAC 8000X。

到了2G时代，常用的频段是900MHz和1800MHz。我们以900MHz为参考，单极子天线的长度为L=λ/4=8.25cm。但此时的天线只能支持单个频段，如下图的诺基亚1011手机：

这个时期还开发了可拆卸的超大型天线，Ericsson的R190手机配备了一个可拆卸的超大型外接天线，使得用户能够直接通过手机进行卫星通话。

不对，咱们的主题是天线去哪里了，怎么还弄出来这更明显的外置天线？

是的，外置天线太丑了，尺寸大而且容易损坏，显然并不会是主流，为了克服这些不足，咱们的手机天线渐渐转向了内置。

下面这款是德国制造的Hagenuk Globalhandy手机，被认为是业界首款内置天线的移动手机。不过也有人认为诺基亚在1998年推出的诺基亚6110是第一款内置天线的手机。

这款手机采用缝隙作为辐射单元，它利用金属表面上的缝隙来产生和接收无线电波。这种设计允许天线在不显著增加设备体积的情况下，实现有效的无线通信能力。

而1999年诺基亚推出了Nokia 3210，做成了一个完全内置的天线，采用的是平面倒F天线（PIFA，Planar Inverted-F Antenna），且可以支持900MHz和1800MHz双频段。

从此，手机天线再也变得不可见，完全集成到手机内部了。

在3G时代的手机慢慢智能化了。其天线主要有两个特点：一个内置天线，一个是多天线。内置天线的设计主要还是采用上面我们说的IFA和PIFA。

如下面这款3G手机：Palm Pre手机，它采用的是IFA天线。

从上图我们也可以看出，此时的手机中已经开始集成各种天线，如GPS天线、1800MHz天线，900MHz天线、分机天线等等。

这些多天线设计，目的是为了支持不同的频段和通信标准。比如说在3G时天线需要支持850MHz、900MHz、1900MHz和2100MHz等。

我们以1900MHz为例看看它的天线长度，根据上面提到的公式计算，1900MHz频率的波长大约为16厘米，3G天线的长度可能在4厘米左右，这是天线长度的理论计算值，实际应用中可能会有所不同。

这里要注意的是，早期的3G多天线还不是MIMO，仍然是SISO（单输入单输出），只不过是集成了多根支持不频段的天线而已。

比如说2004年推出的3G Nokia 6630手机，可以真正意义上支持全球漫游，也是第一个双模三频段手机，所使用的天线也是多天线内置，内部集成了支持GSM 900/1800/1900 MHz频段的天线，WCDMA天线）。

在3G到4G的过渡期间，SU-MIMO技术开始得到应用，这标志着从SISO到多输入多输出（MIMO）技术的一个重要转变。

从IFA/PIFA天线技术的引入到现代4G手机的发展，天线设计的核心变化在于增加了天线数量和扩展了支持的频段。

现在的5G时代，频谱主要分为两个区域：6GHz以下的称为sub-6GHz频段，6GHz以上的则被称为毫米波(mm-Wave)频段。

我们以低频段Sub-6 GHz的一个中间值3.5GHz（3500MHz）为例，来看看5G天线的长度。根据上面的公式，波长为长度：0.0857米，对于单极子天线，其长度大约是波长的1/4，大约是21.4毫米。这使得天线可以轻松地内置于手机机身内部。

其实4G/5G天线的长度没有明显的变化，不过5G手机使用MIMO技术将多个天线元件组成了一个天线阵列，例如8×8 MIMO有8个发射端天线，8根手机端天线。

除了通信频段的不断提升使得天线可以做得越来越短小，天线的制造工艺也在不断提升。

在手机发展的早期，天线设计普遍采用在塑料后盖上直接印刷的方式，即印刷成型（PDS）天线。它是利用导电油墨在塑料或其他非金属表面上形成天线图案，从而实现无线信号的接收与发送。后面又发展成FPC天线，即冲印在机身电路中的天线。

苹果公司一直使用FPC天线技术，这种技术采用塑料基底上的铜薄膜来制造柔性的天线，并将它们嵌入手机的塑料外壳之中。下图右上角是iPhone X的FPC。

在2010年，苹果公司在iPhone 4上首次创新性地将手机的金属边框用作天线的辐射部分，实现了天线设计与手机结构的无缝结合，引领了金属边框天线的潮流。

同时，利用精细的分割和接地技术，金属边框可以被巧妙地转换成了多样的天线形态，比如倒L型、倒F型和环形等，满足了现代手机对多频段和多制式的需求。

另外，为了节省空间，工程师们开始将天线通过激光雕刻技术附在手机的塑料后壳上，也就是LDS天线。

总之，随着科技的进步，手机天线已经从显眼的外观走向了隐蔽的内置设计。它们变得更加小巧、高效，与手机的美学和人体工程学设计完美融合。

下次你拿起手机时，不妨想一想，那些曾经显而易见的天线，现在已经巧妙地隐藏在了你手中的高科技设备之中。

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