考量了人體安全的5G手機天線設計?

作者 : Don Scansen,EE Times專欄作者

System Plus的拆解報告指出:「我們在Apple的iPhone 12發現以往從未見過的5G毫米波系統,該系統支援考量人體安全的高速通訊,而且只靠單一晶片組來控制。」

5G時代已經順利開展──儘管網路上線營運才剛起步,也只有少數手機支援可用頻譜──不過仍有許多有待解答的問題。

在5G頻譜的較高頻段部分提供了一些有待研究的題材,因為目前可用的28GHz毫米波頻段對消費性市場來說是全新的,而更高頻技術──如30~300GHz範圍的超高頻(Extra high frequency,EHF)──隨後將至;這讓人們會想要了解,一旦開始採用這些新技術,是否會對人體健康帶來潛在的影響。

 

5G頻譜分配。

(圖片來源:Qualcomm)

 

雖然5G頻譜的較高頻段部分除了提供更高頻寬的可能性,以及現在對蜂巢式通訊服務開放頻率分配,這個部份的頻段遭遇非常嚴重的大氣衰減(atmospheric attenuation)問題,這可能會需要天線的輸出功率更大,才能提供使用者與基地台之間的可靠連結。

但是戶外的大氣衰減問題只是問題的一部分,對毫米波頻段的使用雖然是新的,另外一個問題並不是──使用者的血肉與骨骼也會吸收RF能量。在此筆者不著重討論毫米波能量可能引發的生物性反應,然而無論使用者會不會感覺到生理上的影響,使用者的手部以及頭部(或是身體的其他部位),就算不完全消除、也會使得5G RF訊號的傳播衰減(至少你會希望其輸出功率維持在實現5G通訊的範圍內)。

 

高通(Qualcomm)一直在積極研究5G天線設計的多樣性,以降低訊號被人體阻擋的效應。

 

要在手機內放置5G天線模組,筆者第一個想法是該設計需要考量到大多數人都是「右撇子」,而且進行語音通話時會把手機放到頭部位置;但這是因為我自己算是比較「老一代」人,習慣認為講電話就是要把話筒拿到耳朵跟嘴巴旁邊。

而5G手機天線如何放置的設計(至少是好設計),看來是更著重於針對使用者把手機握在手上、低頭滑手機上網或瀏覽社交媒體的情況最佳化;雖然這可能佔據99%的使用模式,不過還是需要考量到那些會把手機舉到頭部的較罕見案例,需要因應不斷變化的情境。

我們知道,MIMO與波束成形(beamforming)技術會被同時應用於相互連結的基地台與使用者終端設備(UE)兩端;基地塔台與手機會共同運作,以確保各自的天線陣列集中RF能量讓兩端的訊號接收最大化。然而還有另一種機制,能用來作為手機附近的訊號障礙物,這在最近拆解分析機構System Plus對iPhone 12的拆解中被特別強調。

System Plus的拆解報告指出:「我們在Apple的iPhone 12發現以往從未見過的5G毫米波系統,該系統支援考量人體安全的高速通訊,而且只靠單一晶片組來控制。」

 

iPhone 12的RF前端分析。

(圖片來源:SystemPlus Consulting)

 

iPhone 12內的另一個5G天線,也就是採用天線封裝(AiP)的USI全整合模組,在筆者先前的另一篇文章中有提及;該天線模組雖然與Qualcomm的第二代5G毫米波天線模組QTM525非常相似,但是仍有明顯的差異。iPhone的第二個天線陣列還有一些更有趣的地方…

SystemPlus的拆解報告指出,有一個RF前端模組被用來驅動USI AiP模組,以及位於邏輯電路板下方的第二個被動式相位陣列天線。第二個天線陣列是iPhone 12與其他手機在設計上最大的差異。似乎不太可能找到5G iPhone與其他競爭產品在蜂巢式連結性能方面的有意義比較,但了解更多Apple本身(到目前為止)的設計選擇,會蠻有趣的。

 

Qualcomm專利申請案US20200297236A1內的圖片。

 

在被動式天線之外,SystemPlus指出iPhone 12有一個「人體安全考量」設計──由Qualcomm的SDX55M數據機晶片與SMR526中頻晶片組控制的第三個零件是一顆毫米波雷達,該雷達的功能是偵測「任何人體部位,在人體部位出現時限制5G毫米波通訊系統的輻射。」

Apple對人體健康影響的顧慮足以讓該公司添加一顆所費不貲的額外晶片,來限制人體暴露於毫米波能量?有可能,但該元件的另一個作用應該是偵測附近的吸收體,並將RF能量集中到另一個陣列,如果沒有其他原因,就是為了不浪費能量。對任何人來說,行動裝置功耗都是需要在意的一件事,特別是在5G時代;Apple當然想最大化電池性能。而根據推測,他們也想要讓忠實的「果粉」不暴露或減少暴露於集中的毫米波RF能量。

而深度參與5G技術部署的各個方面、特別是RF設計的Qualcomm,將會繼續著重於周遭存在無預期出現之吸收體的天線RF功率控制。快速搜尋可發現Qualcomm最近提出一個題為「偵測人體部位的雷達」(Radar for Detecting Human Body Part)的專利申請案,非常類似SystemPlus在拆解分析所指出的,iPhone 12內部的雷達是用以偵測人體部位接近,好讓裝置判斷傳輸RF訊號是否安全。

可以說SystemPlus的拆解分析是鎖定iPhone 12的毫米波雷達以及其功能,但就像該AiP,我們並不知道Qualcomm的RF設計止於何處,Apple自己的設計又是從哪裡開始…讓我們在未來的專欄文章中再繼續探討吧!

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文:5G Antennas – Stay Out of the Way,By Don Scansen)

 

 

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