在《你知道一个手机究竟有多少种无线通信系统吗？》中，我们通过分析手机的规格参数，了解了当前手机所能兼容的无线通信系统。如今，智能手机居然能够兼容多达七种无线通信系统，并且每种系统又包含众多无线频段。仅就蜂窝通信这种手机最基础的无线功能而言，也多达六十余个频段，覆盖了2G、3G、4G、5G等网络制式。不得不承认，当代手机堪称电子产品中的顶尖之作，采用顶尖的芯片制造技术，能够应对各种复杂的无线状况，并且拥有极为出色的摄影功能，堪称便携游戏设备，同时也是优秀的影音播放工具。
不得不为我们通信人竖起大拇指，点个大大的赞。
（智能手机结构图）
那张图片展示的是一部手机的功能图解，得益于芯片技术的进步，一部手机能够在很小的空间里完成这么多功能。无线射频收发装置也包含在几个微小的射频集成电路里面，不过天线又该如何处理？这种和电磁波波长紧密关联的射频部件，很难被压缩进集成电路里面，并且还要兼容这么多的频段。
我们今天一同来研究一下，手机天线究竟是怎样逐渐缩小并装入手机内部的。
No.1 最初的手机天线
最初手机的天线形态如何呢？它首先应用于第一代手机上。在 2023 年巴塞罗那通信展上，获得 GLOMO 个人终身成就奖的 Martin Copper，正是现代手机的设计者，而首款真正意义上的手机，就是下图 Martin Copper 面前展示的那些大型移动电话设备。马丁老爷子就是在摩托罗拉实验室打通了第一个移动电话。
注意，大哥脑袋顶部的那个长条状物件，是第一代手机配备的天线装置，学理上的名称是单极天线，在民间俗称是绳状天线。
单极子天线属于历史最为悠久的天线类型，马可尼实现跨大西洋通信时，就曾采用这种天线结构。马可尼采用的发射装置配备了一种特殊天线，该天线由 50 条铜质导线构成扇形阵列，这些导线从 48 米高的横杆上斜向延伸下来，可以看作是首个实用的单极天线类型，其振荡器使用的是 70 赫兹的火花振荡设备，后来他又借助 4 座木质支架搭建导线系统，形成了方形单锥形天线，具体构造如图所示，此次发射的波长达到了 1000 米。
接下来，伴随无线电工作频率的上升，电磁波的波长不断降低，单极子天线的尺寸也随之缩小，很长一段时间以来，单极子天线都是无线设备中广泛使用的一种天线类型。
1944年，摩托罗拉申请了首个可移动通信设备专利，专利号为US2439411A，在该专利文档中，单极子天线被明确提及，该专利的设计理念与后来出现的移动电话有诸多相似之处。
这种天线构造简洁，调节容易，体积极大程度小于同类频率偶极子的尺寸，其运作方式图示如下，通过镜像手段，单极子天线的单一臂能够模拟出无限大地面上的偶极子双臂辐射效果
倘若单极子天线的接地端假定为无限延伸，那么它的辐射方向性图便等同于偶极子的一半。
但是移动设备无法提供无限大的地面，因此单极子天线的实际方向性图会随之改变。下面展示的是我们借助仿真软件，通过调整单极子天线的地面尺寸所获得的天线方向性图。结果颇为奇特，当单极子天线的地面不断缩小时，其方向性图会逐渐趋近于偶极子。
这种单极子天线垂直于地面，在水平面上能形成均匀的辐射模式，很适合手机使用。不过垂直方向表现不佳，特别是在天线正上方，辐射非常弱，信号几乎不往那里传播。因此，家里的 WiFi 发射器绝对不能直对手机
但是体型过于庞大实在有损观瞻，因此技术人员开始研究如何让单极子缩小，一个常见办法是将单极子的辐射部分设计成螺旋形，以此压缩天线整体占地，另一种方法是采用可伸缩构造，平时不用时能够收拢。
这种借助螺旋状结构来减小单极子天线体积的方法，在手机领域也曾经普遍使用过。以早期的摩托罗拉手机和诺基亚手机为例，它们的内置天线就呈现为细长圆滚滚的形态。
那能否把单极子天线折起来，直接封装在手机里面呢？
No.2 看不见的手机天线
单极子天线直立时可以工作，那么弯曲时行不行？由此便引出了对单极子进行人工改造的初始阶段。
同轴单极子天线可以转变为微带单极子天线，这种转变是可行的，并且微带单极子天线具有额外的优势，能够弯曲成倒 L 形态。
偶极子天线的特性阻抗值是73.1欧姆，单极子天线的特性阻抗为偶极子天线的一半，大概为36.5欧姆，设计时必须与通常使用的50欧姆馈线阻抗相匹配。为了优化倒 L 单极子的阻抗适配，天线技术人员在倒 L 的馈电端增设了接地节点，从而构成倒 F 结构的天线，也就是广泛应用的 IFA 天线。随后将 IFA 的辐射单元改用平面进行构成，以此提升天线的频带范围，由此产生了平面倒 F 天线 PIFA。
下图展现了单极子天线的一个演化过程。
这张图展示了一种基础型平面倒 F 天线构造，其中单极子辐射部分演变成了一个宽阔的辐射板，安放在地面上方，这个辐射板在靠近馈电点的地方，借助一个短路过孔与地实现短路，以此达成阻抗的适配。这种平面倒 F 形天线需要相对厚实的构造，在诺基亚手机上最为常见，而同期摩托罗拉手机则更偏爱倒 L 形或 IFA 形天线，这或许也是摩托罗拉手机普遍比诺基亚更轻薄的原因之一。
诺基亚 3210 是首部配备 PIFA 天线的手机，诺基亚在 1987 年推出首款手机 Nokia Mobira Cityman，该机依然采用长杆式天线，后来天线逐渐缩短，演变成小圆球形状，到了 1999 年，Nokia3210 终于将天线完全融入机身，用户无法直接看到。这款诺基亚3210 也成为手机行业中最受欢迎的机型，累计销售数量达到了1亿6千万台。
通过 IFixt 网站公布的剖析文档，我们终于得以一窥这款 PIFA 天线的真实构造，至于当中那个微小的孔洞，不知是否就是它的短路位置。
来源：iFixt
2000年时，无线通信网络尚显基础，即便是风靡全球的诺基亚3210手机，其功能也仅限于GSM和DCS频段，而蓝牙、WiFi、卫星定位这类当代智能设备普遍具备的无线技术，在当时均未配备。
网络环境相对简单，天线构造也不复杂，一般双频天线就能满足手机通信需求。如今一部手机仅要实现基础蜂窝通信，就必须兼容六十余个频段，包含当前仍在使用的所有2G、3G、4G、5G频段，同时还需支持蓝牙、WiFi、卫星等无线通信频段。
No.3 智能手机的天线
如今无线通信的频段数量持续增加，所需的天线种类也随之增多，最直接的方案就是将所有必要的天线全部配置，例如 Palm 型号的手机背部安装了 GPS 接收器天线，同时还包括 GSM 系统的 900MHz 低频段天线和 1800MHz 高频段天线，另外在设备的右上方位还额外增加了一个分集天线。
过去很长一段时间，手机天线都是这样布局的，在后盖塑料上印制天线，从经济性和空间效益考量，都是个很合理的选择。这种通过外部金属片或特定构造延伸出来的天线，也就是 FPC 天线。
苹果公司从最初型号到 iPhone 3GS 期间，一直使用这种 FPC 天线技术，该技术通过将封塑铜薄膜放置于塑料膜中制成柔性天线，并安装于手机塑料外壳内部。
二零一零年，苹果企业发售的 iPhone4，令手机天线构造发生了根本性革新，初次将设备的金属框体当作发射体，使天线构造与结构部件达成高度统一，由此开启了框体天线的新纪元。
iPhone 4 的主要信号接收装置，并非仅位于机壳边缘，而是与设备内部另有一根天线相配合形成的整体。机壳的外围部分，安装了造型独特的金属部件，其目的是为了适配全球多个不同频段的使用需求。
这种创新型的天线构造，曾因“天线门”事件引发热议，众多消费者指出“当用手紧紧握住 iPhone4 时，其移动通信的信号会在几分钟内彻底减弱至无法进行通话的状态。”
缘由十分清楚，边框天线直接外置于手机表面，极易受到外部因素干扰，特别是手持设备时，首先，人体介电特性的改变会干扰天线的工作频点，进而削弱其性能；其次，天线通过分段实现频率切换的设计，若人体恰巧触及分界处，鉴于人体具备导电性，极有可能导致该分段失去作用。
但是，出现疑问并非坏事，关键在于找到解决之道，真正令人担忧的是面对难题时缺乏突破的勇气 iPhone4所遭遇的困境，迅速得到了苹果公司负责天线技术的专家团队的处理，而其采取的应对措施相当直接，稍后发布的iPhone4S机型中，我们注意到，机身框架部位增设了新的连接间断，这样一来，设备的通讯功能便恢复正常了
这种边框天线不论怎样都极大地推动了移动终端天线的发展，也开启了一种新的设计理念，即天线与结构功能相结合。在华为的 Mate60 手机上，我还观察到，摄像头的轮廓也被用作天线——具体是 NFC 天线。
苹果手机金属外框天线的确切构造，现在还没有找到任何明确信息，论文《移动终端未来天线设计概述》里详尽阐述了金属外框天线的设计思路和运作方式。借助精心的结构划分和接地处理，金属框架能够承载多种天线形态，例如倒 L 型天线，倒 F 型天线，以及环形天线等，以此适应当前手机对多频段和多种通信标准的复杂需求。
手机天线的内容就先讲到这里，如果有任何疑问，欢迎留言，或者添加 V 号进行私信沟通。
