手机天线材料LCP有什么神奇之处

胡薇 发表于 2018-10-31 11:06:46 收藏 已收藏
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手机天线材料LCP有什么神奇之处

胡薇 发表于 2018-10-31 11:06:46

一、LCP概述

手机天线行业近半年来的热词相信非LCP莫属。这个被苹果公司看中,并率先应用在iPhone8及iPhoneX上的天线材料是何许物也,又有什么“神奇”之处?本文为就您揭开LCP的神秘面纱,一探究竟。

液晶聚合物(Liquid Crystal Polyester)是80年代初期发展起来的一种新型高性能工程塑料,又称LCP。是一种由刚性分子链构成的各向异性的芳香族聚酯类产品,具有极高的物理强度和结晶性,在一定的物理条件下既有液体的流动性又呈现晶体的各项异性的物理状态-液晶态性能特殊,制品拉伸强度和弯曲模量可超过10年来发展起来的各种热塑性工程塑料。由于液晶聚合物在热、电、机械、化学方面优良的综合性能而受到各国的重视,其产品被引入到各个高技术领域的应用中,被誉为超级工程塑料。

液晶聚合物有溶致性液晶聚合物(LLCP)、热致性液晶聚合物(TLCP)和压致性液晶聚合物(PLCP)三大类。顾名思义,溶致性液晶聚合物的液晶态是在溶液中形成,热致性液晶聚合物的液晶态是在熔体中或玻璃化温度以上形成,压致性液晶聚合物的液晶态是在压力下形成。LLCP用来生产纤维,TLCP可注塑、挤出成型等。应用于柔性电路制作是热致液晶,所以本文着重介绍热致性液晶聚合物—TLCP(ThermotropicLiquid Crystal Polymer)。

二、苹果公司为什么选择LCP作为天线材料

目前手机市场的两大热点议题:5G时代;全面屏时代。

首先,5G时代对手机天线提出了怎样的要求?

5G代指5th-Generation,第5代移动通信网络,其突出特点为理论峰值传输速度可达每秒数十Gb,比4G网络的传输速度快数百倍。5G信号传输的载体是天线,天线就如同公路一样,提供的是信息交互的通道。想要达到高效的传输速度,对于载体天线的信号收发能力势必要提出更高的要求。

图1.在高频率范围时,LCP软板具有比PI软板更好的S21损耗特性

传统天线软板PI基材,对2.4G的射频信号产生3db损耗,对应1000倍的信号损失;并且频率越高,这种S21损耗越大。(S21表示插入损耗,也就是有多少能量被传输到目的端Port2了,这个值越大越好,理想值是1,即0dB,S21越大传输的效率越高)。LCP基材的损耗值仅为2‰—4‰,相比传统基材2%的电磁损耗要小10倍,可以有效降低损耗。

全面屏时代对手机天线又提出了怎样的要求?

图2.手机全面屏种类

继苹果推出全面屏手机iPhoneX后,华为、小米、VIVO、OPPO等国内手机厂商紧随其后,纷纷推出自主品牌的全面屏手机。屏占比一度从80%飙升到了93.8%(官宣)。屏占比越来越大,留给天线的装载空间却越来越小了。从16:9的屏幕,到18:9甚至更大比例的屏幕,留给天线的空间大概只有3-5毫米或更窄。可摆放天线的位置更加受限,天线的净空区缩小,天线与金属结构件更近,这会使得天线的全向通信性能很差,也使得天线的设计难度提升。

1.天线的净空区缩小 

图3.手机天线净空间的变化

2. 屏幕更加靠近天线 

屏对天线效率有吸收的劣化作用,具体来说,屏对天线的影响有﹕效率降低、电子噪声干扰,缩减的天线摆放空间;反之,天线对屏潜在的影响风险则主要来自于因天线发射功率而造成屏幕产生误动作,即EMI(电磁干扰)的现象,尤其是在发射天线与屏之间的距离愈来愈近时。

面对诸多难题,应对方案要从多方面考虑。本文主要探讨LCP材料的选取依据。

1天线小型化

毋庸置疑,将天线尺寸减小是首要任务。合理将天线辐射体进行弯折,是在空间上缩小天线尺寸的一种有效方法,在对天线进行弯折的同时可以使其产生多模谐振的特性,对多频段、宽频化有帮助。

图4. PI和LCP弯折能力对比

另一个不得不提的优点是LCP可取代同轴电缆。同轴电缆,由于电缆中的信号线组成,能够进行大容量数据传输,但缺点是它的厚度。低损耗柔性多层电路板,里面包含几根信号线,可同时达到大容量数据传输和超薄设计。采用LCP材料的软板电路厚度仅有0.2毫米,而且具有3层结构,可携带几根信号线,可取代同轴电缆。

图5.智能手机空间日渐紧迫   图6.LCP软板替代天线传输可见小65%厚度

图7. LCP软板具有与天线传输线同等的优良传输损耗表现,成本却更低

图8. LCP软板替代天线传输线可实现更高的空间利用率

采用LCP薄膜,在其上设计天线,并用共面波导CPW等形式把信号低损耗的引出到芯片端,省去了肥厚的同轴线缆。且可以多个射频线一并引出。

3选择低电磁损耗的天线材料

如上文提到全面屏手机留给天线的净空间缩小,使得天线的全向通信性能变差,所以必须选用损耗因子小的材料来制作天线以达到更好的信号传输效果。

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