如何设计5G天线，来减小对健康的危害？

shuszhao

5G时代离我们越来越近，虽然其部署仍在初始阶段。现在只有少数几款手机能够支持所有可用频谱，因此还有很多问题尚待解决。
由于目前可获得的28GHz的mmW波段对消费者市场来说是全新的，因此频谱中的高频部分仍有待研究。未来还会出现更高的频率。30至300GHz的频率为超高频（EHF），在应用这项新技术之前，人们想知道它对健康是否有潜在的影响。

                               
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图1：5G频段分配。（图片来源：Qualcomm公司）

5G频谱中的高频部分有可能提供更高的带宽，其开放频率也分配给了蜂窝业务，但这部分频率范围却会遭受非常严重的大气衰减。为了可靠地将用户连接到基站，可能需要天线具有更高的功率输出。
但是大气衰减只是问题的一部分。使用mmWave频率是新问题，但还有一个老问题：使用者的身体（血、肉、骨骼）也会吸收mmWave能量。这里不讨论人体可能对mmWave能量出现什么反应。无论用户的身体是否会受到影响，手或头（或身体的任何部位）即便不能完挡住5G RF信号的传播，势必也会大大减少其传播（至少你所希望的输出功率范围是这样）。

                               
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图2：Qualcomm公司一直在积极研究各种5G天线，以减少人体对信号的阻挡。

一见到5G天线模块在手机中的摆放位置，我就思量手机设计是否考虑了大多数人使用右手以及在语音通话时手机靠着头部的习惯。我们这一代年纪较大的人都认为电话是放在嘴巴和耳朵边来通话的。在设计5G手机的天线位置时，（至少好的设计）可能会考虑到大家通常用手拿手机、低头看屏幕上网冲浪和使用社交媒体的习惯姿势。可能99％的手机用户都是用这种姿势使用手机，但设计仍需确保手机在贴近头部时能够正常连接。它应该能够应对不断变化的情况。
我们知道，在连接的两端（基站和用户设备端）使用了MIMO和波束成形技术。基站和手机协同工作，确保各自的天线阵列集中RF能量，使两端接收到的信号最强。但是，对于手机附近存在阻挡信号传播的物体时，还可以采用另一种机制。最近System Plus在对iPhone 12的拆解分析中强调了这一点。
iPhone 12中的一个小细节表明，只需拆开并研究市场上的产品，即可获得有价值的信息。System Plus拆解还强调了需要有能力和经验的技术人员从实际拆解中挖掘出最多信息。尽管System Plus拆解只是其完整报告的一小部分，但它为我们提供了宝贵的细节。

                               
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图3：iPhone 12 RF前端分析。（图片来源：SystemPlus Consulting）

在Apple iPhone 12系列中，我们发现了跟以前完全不一样的5G mmWave系统。该系统是为实现高速通信而设计的，考虑了人体安全性，并且仅由一个芯片组控制。
iPhone 12中还有另一根5G天线，即USI AiP（封装天线）完全集成模块，我们之前已专门介绍过。尽管与Qualcomm公司第二代QTM525 5G mmWave天线模块非常相似，但它们还是有很大的差别。而且，第二代iPhone天线阵列中有一些更有趣的东西。
System Plus拆解指出，USI AiP模块以及逻辑板下方的第二个无源相控阵天线是由单个RF前端模块驱动的。这根天线是iPhone 12手机设计与众不同的地方。对5G iPhone及其竞争对手的蜂窝连接性能进行比较没有任何意义，但是更深入地了解这种目前只有Apple采用的设计，是一件很有趣的事。

                               
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图4：Qualcomm公司申请的专利——检测人体部位的雷达。

除无源天线外，System Plus还描述了“人体安全因素的考虑”。由Qualcomm SDX55M调制解调器和SMR526中频芯片组控制的第三个组件是毫米波雷达，用于检测“任何人体，以限制5G mmWave通信系统的辐射”。
苹果会因为担心手机对健康的不良影响而添加一个昂贵的组件来减少用户暴露在毫米波能量下吗？有这种可能。另一种可能是检测最近的吸收器，并将RF能量集中到另一个阵列，以便节约能量。每个人都很在意移动设备的功耗，尤其是在5G时代。苹果肯定希望其电池性能达到最优，估计他们还希望减少或消除集中毫米波RF能量对忠实用户的影响。
Qualcomm公司深入参与了5G部署的各个环节，尤其是RF设计，同时还将继续研究当天线附近有意想不到的吸收器时，如何控制RF功率。Qualcomm公司最近申请了一项专利——检测人体部位的雷达，公开了System Plus拆解中所提到的使用雷达检测附近人体部位的方法，使设备能够判断发送RF信号是否安全。
可以肯定的是，System Plus对iPhone 12 mmWave雷达及其功能进行了准确的分析。不过，就像AiP模块一样，我们并不清楚Qualcomm RF设计最后究竟会怎样、Apple的设计从哪里开始。这些都留待下次再说吧。

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