手機天線的設計必須在毫米(mm)級空間中，完成頻率、方向、功率、隔離、封裝、人體安全等多維度的協調。這是一場空間、頻率、功率、安全、效率的極限挑戰。
手機天線設計持續演進
表1列出1G～5G手機天線所採用的設計技術和特色。第一代手機天線是外露式鞭形天線(Whip Antenna)。迄今，這種設計技術仍存在於收音機、車用、無線對講機的天線中。於1990年代上市的2G手機天線的長度變短了，或變成可伸縮式。1999年底至2000年初，3G手機上市，使用嵌入式平面倒F形天線(Planar Inverted F Antenna,PIFA)，支援GSM和3G頻段。2010年代初期上市的4G手機使用金屬邊框(Metal Frame)天線，天線與機殼共構；支援LTE頻段(如Band 3、Band 7)，但僅具2×2多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)陣列天線的配置。直到2015年，4G+(LTE-A)手機上市，採用2×2、4×4甚至8×8 MIMO的配置。2019年底至2020年初，5G手機上市，天線直接被封裝至射頻(RF)模組內(此稱為天線封裝(Antenna-in-Package,AiP)」)，支援MIMO、高頻段的毫米波(mmWave)(24GHz至100GHz)、5G的sub-6GHz頻段(6GHz以下的低頻段，譬如700MHz至6GHz之間)。
| 世代 | 技術名稱 | 設計特色 | 技術突破 | 應用年代/範例 |
|---|---|---|---|---|
| 1G | 單極子天線 (monopole) | 外露式鞭狀天線 | 基本收發功能，無頻 段切換 | 1980年代/Motorola |
| 2G | 伸縮式、短柱 型天線 | 可伸縮或短柱型外露天線 | 支援GSM900/1800等 多頻段 | 1990年代/Nokia |
| 3G | PIFA(倒F型)內 嵌天線 | 天線嵌入機殼，搭配PCB或FPC結構 | 多頻段共振、隱藏式 設計 | 2000年代/Sony Ericsson |
| 4G | 金屬邊框共構 天線 | 利用機殼金屬作為天線結構，搭配 slot開槽設計 | 天線共構、支援MIMO | 2010年代/iPhone 6 |
| 4G+ | MIMO陣列天 線 | 多天線配置(2×2、4×4)，分布於機 身不同位置或邊框 | 多路收發、空間分 集、提升頻譜效率 | 2015年後/Galaxy S 系列 |
| 5G | AiP(Antenna in Package) | 天線直接整合進RF模組封裝，支援 sub-6 GHz/mmWave | 高整合度、低損耗、 封裝協同設計 | 2020年後/mmWave 模組 |
技術分類
以下是手機天線設計中常見的技術：
單極天線(Monopole Antenna)
單極天線是一根垂直導體，通常垂直於接地平面(Ground Plane)，它的長度約為工作波長λ的1/4，透過接地平面反射，形成等效的鏡像(圖1)，使其輻射特性類似於偶極天線(Dipole Antenna)(圖2)。單極天線搭配理想接地平面時，可利用鏡像原理視為等效的半波偶極天線，其輻射特性與偶極天線相似。電流在導體中上下振盪，產生電磁波；地面反射形成虛擬導體，使輻射場分佈類似偶極天線。輻射方向主要位於水平方向(垂直於天線)。由於這種天線的結構簡單、輻射效率高，所以在早期手機(1G/2G)中，就是使用外露式單極天線(如鞭狀天線)。現代的手機雖然不再使用外露式天線，但仍在PCB或封裝中模擬單極結構，例如：PIFA、槽孔式天線(Slot Antenna)。在AiP封裝中，單極結構常用於sub-6GHz輻射元件。
單極天線的設計需考慮：接地平面大小與形狀、匹配網路(Matching Network)元件(電容、電感)、輻射效率與方向性。
PIFA天線
手機天線設計中最經典、最廣泛使用的結構之一，尤其在2G到4G手機中，它扮演著關鍵的角色(圖3)，PIFA由以下幾個部份構成：
・輻射貼片(Radiating Patch)：一塊金屬片，形狀類似英文字F。
・接地平面：通常是手機主板或金屬機殼。
・短路接腳(Shorting Pin)：將輻射貼片的一端接地，形成倒F結構。
・饋點(Feed Point)：連接射頻信號源。
PIFA是一種λ/4共振天線。短路接腳將輻射貼片一端接地，使電流形成反射。輻射貼片與接地平面之間形成電場，產生電磁輻射。輻射方向主要在水平方向。式子(1)是簡化的共振頻率計算公式，f 是共振頻率，c是光速。L、W分別是輻射貼片的有效長度和寬度。
因此，可透過調整輻射貼片的大小和饋點位置來調諧頻率。表2列出PIFA的優點。使用AiP模組的現代手機中，常將PIFA與槽孔式、環形(Loop)、貼片結構混合設計。例如：在一台5G手機內，sub-6GHz頻段使用PIFA天線，毫米波使用貼片陣列天線(Patch Array)，近距離無線通訊(Near Field Communication, NFC)使用環形天線(表3)。
| 特性 | 說明 |
|---|---|
| 小型化 | 適合嵌入手機主板或機殼 |
| 支援多頻段 | 可設計多個共振點(如GSM、LTE) |
| 輻射效率高 | 具良好輻射效率 |
| 有利於SAR控制 | 可設計輻射方向遠離人體 |
| 製程彈性高 | 可採用PCB、FPC或LDS製程 |
| 功能模組 | 頻段範圍 | 常用天線結構 | 說明 |
|---|---|---|---|
| sub-6GHz通訊 | 低於6 GHz | PIFA(倒F形) | λ/4共振，可調整輻射場型，支援多 頻段 |
| 毫米波(mmWave) | 24 GHz~100 GHz | 貼片陣列(Patch Array) | 微帶貼片陣列，搭配相位控制支援 波束成形 |
| 近距離無線通訊 (NFC) | 13.56 MHz(磁場耦合) | 環形天線(Loop Antenna) | 利用磁場耦合進行短距離通訊 |
槽孔式天線
槽孔式天線是一種利用金屬導體上的狹縫，或在手機的金屬邊框或機殼上開孔形成共振腔，來發射或接收電磁波的天線結構(圖4)。這種設計特別適合手機、筆電等具有金屬外殼的裝置，因為它能將原本會屏蔽電磁波的金屬邊框轉變成有效的輻射體。它是利用巴比涅原理(Babinet's principle)：若偶極天線在某點產生電場Ed、磁場Hd，則在同一點上可替換成與其互補的槽孔式天線，如式子(2)。Es、Hs分別是槽孔式的電場與磁場。η是自由空間的波阻抗(約377Ω）。
| 偶極(dipole)天線 | 利用金屬導體形成輻射 結構 | 適合空間較開放的結構 | 電場主導 | 可與槽孔式天線互補設計 |
|---|---|---|---|---|
| 槽孔式(slot)天線 | 在金屬板上開槽形成輻 射結構 | 適合金屬包覆的結構 | 磁場主導 | 可與偶極天線互補設計 |
偶極天線是由電場(E場)主導，而槽孔式天線是由磁場(H場)主導。兩者產生的繞射場型(Diffraction Pattern)幾乎相同，只是相位相反、強度略有差異。若系統對某種場型較敏感，則可選擇由此場型主導的天線。若系統對特定場型較敏感，可選擇相應的天線結構，以利控制場型。例如，NFC主要透過磁場進行近場耦合，因此通常採用環形天線。
這種互補關係可提高設計的自由度，並能解決空間的限制。例如：在手機、平板電腦中，金屬外殼早已存在，無法再放置額外的金屬條當作偶極天線，此時可在金屬殼上開孔，轉換為槽孔式天線，達到相同的輻射效果，且可與機身共構，節省空間。表4是偶極天線和槽孔式天線的特性比較。圖5是這兩種天線的外形比較。
MIMO陣列天線
手機需要MIMO陣列天線，是為了提升傳輸速率、提高連線穩定度與頻譜效率，並有效利用多路徑效應來實現空間復用與低延遲通訊。
・空間復用：MIMO允許在同一頻段上，同時傳輸多個獨立資料流。透過在發射端與接收端的數根天線，系統可利用空間維度來分離訊號，大幅提升「頻譜效率」與總傳輸速率。
・多路徑效應的轉化：在傳統通訊中，多路徑效應(反射、散射)會造成訊號衰落。但MIMO技術反其道而行，利用多路徑特性形成可區分的空間通道，透過數位訊號處理技術，在發射端與接收端進行空間串流的編碼、解碼與分離，以提升通訊可靠性與傳輸效率。這些技術主要包含通道估測(Channel Estimation)、空間解碼(Spatial Decoding)、等化(Equalization)與前向錯誤校正編碼(Forward Error Correction, FEC)等。
・高密度連接與低延遲：可提升高密度環境下的頻譜利用效率與通訊可靠性，支援AR/VR等即時通訊應用。
在手機中設計MIMO陣列天線，會面臨下列挑戰：
・手機空間有限，需在小型封裝(如系統級封裝(SiP))中整合多根天線。
・天線之間，需具備良好的隔離與低耦合，以避免互相干擾。
常見的MIMO設計方法包括：貼片陣列天線、槽孔式天線與偶極天線互補配置、波束成形(Beamforming)支援方向性掃描。
但手機的空間會限制MIMO天線陣列的結構設計，例如：在3.5 GHz頻段，波長約λ= c/f = 85.7 mm，常見的陣列天線間距設計基準為λ/2，約43 mm。假設手機邊框長度約150 mm，高度約75 mm，若以λ/2作為天線間距基準，2×2陣列在兩個方向上至少需要約86 mm×86 mm的配置空間，超過手機邊框高度(75 mm)。這正是手機MIMO天線設計的核心挑戰之一：空間不足但仍需實現多根天線隔離與性能要求。下面舉出三種方法可克服這類問題：
・非均勻間距和方向性隔離：將天線間距縮短至λ/4或更小，並透過結構設計(如金屬屏蔽、吸波材料)降低耦合。使用不同極化方向(垂直或水平)來提升隔離度。天線位置錯開，例如：上下邊框、側邊框、背蓋配置。
・三維封裝和雷射直接成型(Laser Direct Structuring, LDS)/軟性印刷電路(Flexible Printed Circuit,FPC)技術：利用LDS在手機邊框內壁或背蓋上雕刻天線。使用FPC將天線延伸至非平面區域。可實現折疊式夾縫、L型貼片、環形偶極等結構。
・虛擬陣列和分時雙工(Time Division Duplex, TDD)的波束成形：天線選擇與分時操作：可依通訊需求選擇部分天線運作，搭配波束成形演算法調整訊號方向，以降低天線間距不足對陣列效能的影響。圖6是包括4G LTE與sub-6 GHz頻段的5G手機MIMO陣列天線佈局示意圖，展示了如何在有限的平面上整合多模通訊天線，使用8根sub-6 GHz天線，支援4×4或8×8 MIMO，可提升頻譜效率。另外配置4根4G LTE天線，可在5G訊號不足時支援4G LTE連線。圖7是MIMO頻譜效率計算公式的說明。圖8是MIMO通道容量(Channel Capacity)、天線數量、訊噪比(SNR)之間的曲線變化關係。上述的通道容量都是根據夏農公式(Shannon Equation)計算出來的理論值或極限值，實際的總傳輸速率(Throughput)多低於此理論值，如圖9。總傳輸速率若越接近此理論值，表示系統越有效率。總傳輸速率的定義是手機通訊系統在某段時間內成功傳輸的位元數，受右列因素影響：編碼效率(如低密度奇偶檢查碼(Low Density Parity-check Code, LDPC)、渦輪碼(Turbo Code)、極化碼(Polar Code)、重傳機制(ARQ、HARQ)、MAC層排程與資源分配、有效的SNR、干擾、通道衰落(Channel Fading)。在MIMO系統中，兩者的差距可透過通道狀態(Channel State Information, CSI)、波束成形、錯誤校正等技術縮小。
AiP
縮短從晶片到天線之間的導線佈線(Routing)距離，降低傳輸損耗，提升將天線直接封裝至射頻模組內。
| 世代 (正式系統名稱/標準) | 大約時間 | 主要頻段範圍 | 特點 | 支援的 頻段數目 |
|---|---|---|---|---|
| 1G(無全球統一標準，各 國各自發展的標準有： AMPS、NMT、TACS) | 1980年代 | 800~900 MHz | 類比語音，FDMA | 依各國標準而 異 |
| 2G(GSM、IS-95、 D-AMPS) | 1990年代 | 850~1900 MHz | 數位語音、簡訊、TDMA/ CDMA | 依標準與地區 而異 |
| 3G(UMTS/WCDMA、 CDMA2000) | 2000年代 | 約800 MHz~~2.5 GHz | 資料傳輸，支援多媒體 | 依標準與地區 而異 |
| 4G(LTE、WiMAX) | 2010年代 | 700 MHz~2.6 GHz | 高速資料傳輸，全IP網路 | 支援多個頻段 |
| 5G(NR: New Radio、 FR1/FR2) | 2020年代 | Sub-6 GHz； mmWave：24~100 GHz | eMBB、URLLC、mMTC、 高速資料傳輸、低延遲 | 支援多個頻段 |
整體效率與封裝密度。支援sub-6GHz和mmWave頻段。AiP模組通常使用所謂的mTnR架構，這是用來描述其MIMO天線的收發能力，表示該模組具備m根發射天線與n根接收天線。由於物理路徑損耗、硬體效率瓶頸、法規限制，使得mmWave頻段的發射功率受到限制。補救方法是在接收端增加接收天線的數量，以提升訊號接收的靈敏度與分集增益(Diversity Gain)。因此，部分AiP架構會採用發射天線數量少於接收天線的配置，例如1TnR只使用1根發射天線，但使用多根接收天線，n可為2、4、8等。圖10是5G毫米波AiP模組的MIMO天線配置與封裝佈局的示意圖。
波束成形與相位陣列(Phased Array)
透過控制陣列天線各單元的相位與振幅，產生可調整方向的指向性波束，提升訊號強度與抗干擾能力。主要應用於5G mmWave模組。
LDS
利用雷射在塑膠機殼表面形成天線圖樣，適合複雜曲面與空間受限的天線設計。可搭配PIFA或槽孔式天線結構。
匹配網路設計
使用電感、電容調整阻抗匹配，支援多頻段共振與動態調諧。搭配天線調諧器(Tuner)。1G～5G電信標準的主要頻段範圍和特點，如表5。
電磁相容(EMC)與特定吸收率(SAR)管理
降低電磁干擾，並控制人體暴露於射頻的電磁波能量吸收比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)。包含：金屬屏蔽、接地平面設計、隔離結構等。