揭開手機天線材料LCP的神秘面紗

手機天線行業(yè)近半年來的熱詞相信非LCP莫屬。這個被蘋果公司看中，并率先應(yīng)用在iPhone8及iPhoneX上的天線材料是何許物也，又有什么“神奇”之處？本文為就您揭開LCP的神秘面紗，一探究竟。

液晶聚合物（Liquid Crystal Polyester）是80年代初期發(fā)展起來的一種新型高性能工程塑料，又稱LCP。是一種由剛性分子鏈構(gòu)成的各向異性的芳香族聚酯類產(chǎn)品，具有極高的物理強度和結(jié)晶性，在一定的物理條件下既有液體的流動性又呈現(xiàn)晶體的各項異性的物理狀態(tài)-液晶態(tài)性能特殊，制品拉伸強度和彎曲模量可超過10年來發(fā)展起來的各種熱塑性工程塑料。由于液晶聚合物在熱、電、機械、化學(xué)方面優(yōu)良的綜合性能而受到各國的重視，其產(chǎn)品被引入到各個高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用中，被譽為超級工程塑料。

液晶聚合物有溶致性液晶聚合物（LLCP）、熱致性液晶聚合物（TLCP）和壓致性液晶聚合物（PLCP）三大類。顧名思義，溶致性液晶聚合物的液晶態(tài)是在溶液中形成，熱致性液晶聚合物的液晶態(tài)是在熔體中或玻璃化溫度以上形成，壓致性液晶聚合物的液晶態(tài)是在壓力下形成。LLCP用來生產(chǎn)纖維，TLCP可注塑、擠出成型等。應(yīng)用于柔性電路制作是熱致液晶，所以本文著重介紹熱致性液晶聚合物—TLCP（ThermotropicLiquid Crystal Polymer）。

目前手機市場的兩大熱點議題：5G時代；全面屏?xí)r代。

首先，5G時代對手機天線提出了怎樣的要求？

5G代指5th-Generation，第5代移動通信網(wǎng)絡(luò)，其突出特點為理論峰值傳輸速度可達每秒數(shù)十Gb，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快數(shù)百倍。5G信號傳輸?shù)妮d體是天線，天線就如同公路一樣，提供的是信息交互的通道。想要達到高效的傳輸速度，對于載體天線的信號收發(fā)能力勢必要提出更高的要求。

圖1.在高頻率范圍時，LCP軟板具有比PI軟板更好的S21損耗特性

傳統(tǒng)天線軟板PI基材，對2.4G的射頻信號產(chǎn)生3db損耗，對應(yīng)1000倍的信號損失；并且頻率越高，這種S21損耗越大。（S21表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩薖ort2了，這個值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸?shù)男试礁撸?。LCP基材的損耗值僅為2‰—4‰，相比傳統(tǒng)基材2％的電磁損耗要小10倍，可以有效降低損耗。

全面屏?xí)r代對手機天線又提出了怎樣的要求？

圖2.手機全面屏種類

繼蘋果推出全面屏手機iPhoneX后，華為、小米、VIVO、OPPO等國內(nèi)手機廠商緊隨其后，紛紛推出自主品牌的全面屏手機。屏占比一度從80%飆升到了93.8%（官宣）。屏占比越來越大，留給天線的裝載空間卻越來越小了。從16:9的屏幕，到18:9甚至更大比例的屏幕，留給天線的空間大概只有3-5毫米或更窄。可擺放天線的位置更加受限，天線的凈空區(qū)縮小，天線與金屬結(jié)構(gòu)件更近，這會使得天線的全向通信性能很差，也使得天線的設(shè)計難度提升。

圖3.手機天線凈空間的變化

屏對天線效率有吸收的劣化作用，具體來說，屏對天線的影響有﹕效率降低、電子噪聲干擾，縮減的天線擺放空間；反之，天線對屏潛在的影響風(fēng)險則主要來自于因天線發(fā)射功率而造成屏幕產(chǎn)生誤動作，即EMI（電磁干擾）的現(xiàn)象，尤其是在發(fā)射天線與屏之間的距離愈來愈近時。

面對諸多難題，應(yīng)對方案要從多方面考慮。本文主要探討LCP材料的選取依據(jù)。

毋庸置疑，將天線尺寸減小是首要任務(wù)。合理將天線輻射體進行彎折，是在空間上縮小天線尺寸的一種有效方法，在對天線進行彎折的同時可以使其產(chǎn)生多模諧振的特性，對多頻段、寬頻化有幫助。

圖4. PI和LCP彎折能力對比

另一個不得不提的優(yōu)點是LCP可取代同軸電纜。同軸電纜，由于電纜中的信號線組成，能夠進行大容量數(shù)據(jù)傳輸，但缺點是它的厚度。低損耗柔性多層電路板，里面包含幾根信號線，可同時達到大容量數(shù)據(jù)傳輸和超薄設(shè)計。采用LCP材料的軟板電路厚度僅有0.2毫米，而且具有3層結(jié)構(gòu)，可攜帶幾根信號線，可取代同軸電纜。

圖5.智能手機空間日漸緊迫 圖6.LCP軟板替代天線傳輸可見小65%厚度

圖7. LCP軟板具有與天線傳輸線同等的優(yōu)良傳輸損耗表現(xiàn)，成本卻更低

圖8. LCP軟板替代天線傳輸線可實現(xiàn)更高的空間利用率

采用LCP薄膜，在其上設(shè)計天線，并用共面波導(dǎo)CPW等形式把信號低損耗的引出到芯片端，省去了肥厚的同軸線纜。且可以多個射頻線一并引出。

如上文提到全面屏手機留給天線的凈空間縮小，使得天線的全向通信性能變差，所以必須選用損耗因子小的材料來制作天線以達到更好的信號傳輸效果。