5G手機天線設計新里程：vivo 突破金屬外觀限制，領跑發布雙頻雙極化5G毫米波與LTE整合天線設計

今日，vivo天線預研團隊領跑發布突破金屬外觀限制且整合雙頻雙極化的5G毫米波及4G LTE的嶄新手機天線設計，驚艷地率先為5G手機天線設計與研究開啟了的新里程。vivo天線預研團隊于去年便開始此方向的設計，并賦名為AiA（mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas），且進行IEEE的投稿，而此AiA設計將于今年（2019年）三月的IEEE iWAT國際天線會議上進行詳細發表展示 [1]。

vivo高級天線總監/ 首席天線專家黃奐衢博士表示：“目前毫米波主流成熟的方案為AiP（antenna-in-package）的模塊設計，AiP方案因其RFIC與毫米波天線陣列相距較近，有低路損的優點，故許多專家和學者對AiP進行廣泛而深入的良好相關研究與設計 [2]–[6]，且AiP方案已于60 GHz毫米波（IEEE 802.11 ad，或稱WiGig）及5G毫米波等應用上商用；此外，為了更廣的空間覆蓋和避免手握影響，終端的毫米波陣列往往需在多處（至少兩處以上）甚至是多朝向（如：朝產品的側立面與背蓋面）進行設置。然而，若手機外觀為金屬設計，如金屬框或金屬殼，則常需在此金屬外觀上進行足夠尺寸的開口與讓位以置入AiP模塊方案，而這常會較大程度地降低產品外觀金屬設計的完整性與競爭力；此外，因產品邊緣往往為圓弧角設計，故一般的AiP模塊若側立置放時對產品邊緣收弧較難共形，而需傾斜放置，進而造成排擠與增大產品的內部堆疊空間。有鑒于更好的金屬外觀兼容性，基于外觀金屬的單頻毫米波天線設計也被提出 [7]–[8]，且為了更好的支持現今全球主流5G毫米波頻段n261（27.50 GHz–28.35 GHz）與n260（37.0 GHz–40.0 GHz），vivo在去年首先發表了與金屬外形整合的雙頻毫米波天線設計 [9]；而在更好地支持產品金屬外觀設計、復用天線輻射體，以進一步減少所需的系統容納空間，及達到更好的5G毫米波無線通信體驗的考量下，vivo在此進一步地提出了雙頻雙極化的5G毫米波與非毫米波（如：LTE天線）的整合設計（AiA）。AiA為vivo去年（2018年）在IEEE iWAT受邀報告上提出并賦名。vivo天線預研團隊拋轉引玉，冀盼各位老師、專家學者、先進同好，不吝指導與斧正為是。”

下文主要為選取節錄自vivo前述投稿文章（略除細部尺寸與參數），以進行AiA相關設計概念的分享。此AiA設計為基于下圖1中所示的一金屬邊框玻璃背蓋的手機模型（其正面與背面外觀相同）透過電磁仿真軟件CST 2018進行。圖中黃色部分為金屬，藍色部分為屏幕玻璃，而棕色部分為介電材質的包膠。圖1中可看出一個5單元的5G毫米波天線陣列集成于金屬邊框中，且這金屬邊框同時也作為LTE低與高頻的天線，圖1中的尺寸單位皆為mm；而圖2中可知當屏幕玻璃去除后，顯示器模組與金屬邊框內側距離為2.5 mm，即屏幕可視區的屏占比高于91.5%。圖3則為去除掉后蓋的內部側視圖，并顯示AiA毫米波陣列中間天線單元（單元三）的位置，而LTE中頻天線與非蜂窩天線（如：GNSS，與WiFi和藍牙等）（但不限）則可設計于AiA兩側的金屬框上。

圖1

圖2

圖3

而圖4則為圖3中天線單元三（即陣列的中央單元）的放大圖，可看出天線單元設計為雙饋的stacked patch antenna，以能達到雙頻雙極化。圖5則是基于圖4的天線單元三作為建構單元（building block）而設計的5單元雙頻雙極化的5G毫米波天線陣列；其中圖4與圖5中陣列單元旁的介電填膠（即圖1中的灰色部分）被隱藏以可較清楚地了解天線結構。而圖6中的P1–P10則是5個天線單元的饋入端口，每兩個端口成對而饋入一個天線單元，奇數端口激勵垂直極化（V-pol.），而偶數端口激勵水平極化（H-pol.）。此外，圖6亦為LTE的天線結構 [10]，其中紅色符號為LTE的饋入端口，藍色符號則為其匹配器件，LTE天線主輻射部即為此金屬邊框，故形成了突破金屬外觀的AiA設計。

圖4

圖5

圖6

圖7與圖8為單一天線單元三的兩種端口負載情形的S參數、天線總效率，與峰值實際增益（realized gain）的性能比較，可看出在3GPP 5G 毫米波n261與n260帶內，此兩種端口負載情形的性能趨勢相近，而端口斷開（open）[11] 的n260峰值實際增益稍高，故此設計選擇端口加載（loaded）的情形進行。而以圖7中的|Snn| ≤ –10dB而言，此設計的天線單元于垂直極化工作時可覆蓋27.18 GHz–28.58 GHz及36.92 GHz–40.21 GHz，而于水平極化工作時則可覆蓋27.28 GHz–28.58 GHz及36.89 GHz–40.30GHz，故此天線單元可涵蓋現今5G毫米波較為成熟的n261與n260的兩個熱點頻段，而圖8則為此天線單元的垂直與水平極化的天線總效率與峰值實際增益。對于代表n261與n260頻段的兩頻點28.0 GHz及39.0 GHz而言，于垂直極化工作時兩頻點對應的天線總效率分別為–0.94dB及–0.78dB，而水平極化工作時天線總效率則分別為–0.99dB及–0.77dB。此外，28.0 GHz及39.0 GHz的垂直極化峰值實際增益（peak realized gain）則分別為6.79dBi及6.59dBi；而28.0 GHz及39.0 GHz的水平極化峰值實際增益則分別為5.43dBi及6.20dBi。圖9為天線單元三在28.0 GHz與39.0 GHz時垂直極化端口與水平極化端口激勵時的電流分布圖，而在28.0 GHz電流分布圖中，上層的patch被隱藏，以助觀察下層patch上的電流分布。圖10為天線單元三的3D輻射方向圖，而圖11與圖12為其在phi = 0°與theta = 90°此兩切面上2D的平行極化（co-pol）與交叉極化（x-pol）的實際增益方向圖（gain patterns）。

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

下圖13為5天線單元的線性天線陣列的|Snn|與|Smn|，同理，以|Snn| ≤ –10dB而言，于垂直極化工作時可覆蓋27.44 GHz–28.56 GHz及36.92 GHz–40.22 GHz，而水平極化工作時則可覆蓋27.32 GHz–28.56 GHz及36.96 GHz–40.34GHz，故此天線陣列可覆n261與n260的兩頻段。

圖13

下圖14為5天線單元天線陣列在theta = 90°平面上掃描角為phi = 0°時28.0 GHz與39.0 GHz垂直與水平極化激勵的電流分布圖。而在28.0 GHz圖中，上層patch被隱藏，以利觀察下層patch上的電流分布。

圖14

下圖15與圖16分別為此天線陣列垂直與水平極化激勵時在28.0 GHz與39.0 GHz的3D波束掃描實際增益方向圖，而圖17為在上述掃描波束在theta = 90°平面上的2D實際增益場型圖。此設計以5 dB [7] 的旁瓣凖位（side-lobe level, SLL）作為波束掃描的工作界定。圖18則呈現了上述在theta = 90°平面上不同掃描角的天線陣列總天線效率與峰值實際增益值。而在theta = 90°平面上，對應28.0 GHz與39.0 GHz的垂直極化掃描波束，最大的峰值實際增益分別為11.49 dBi與13.27 dBi；同理，而28.0 GHz與39.0 GHz的水平極化掃描波束，最大的峰值實際增益分別為11.35 dBi與12.18dBi。

圖15 28.0 GHz波束掃描實際增益方向圖（各圖對應相同scale）

圖16 39.0 GHz波束掃描實際增益方向圖（各圖對應相同scale）

圖17

圖18

下圖19為LTE低高頻天線的|Snn|與天線總效率，當|Snn| ≤ –6dB時，覆蓋帶寬為872 MHz–962 MHz及2265 MHz–2740 MHz，故此LTE天線可涵蓋LTE Band 8（880 MHz–960 MHz）、Band 40（2300 MHz–2400 MHz），與Band 41（2496 MHz–2690 MHz），若要進行不同低頻段（如：LTE Band 17、Band 20，或Band 5等）的覆蓋，則可使用電調（tunable）器件。而在LTE Band 8、Band 40，與Band 41帶內（in-band）的最低天線總效率分別為：–3.44 dB、–1.37 dB，與–1.72 dB，故可良好地進行無線通信。

圖19

最后，黃奐衢博士表示：“此AiA設計，除了可更好地維護金屬外觀的完整度，也可支撐較佳的產品外形的共形性，并減少系統內部對此兩種天線所需的容納空間，且此種天線單元設計，因單元底部金屬屏蔽的效果，故毫米波天線陣列對其后方的環境，如：相關器件、背蓋材質與厚度，及饋入結構等，可較不敏感故而有較穩定的天線性能。此外，因當AiP為系統內置擺放時，則其上或其前的背蓋（即天線罩）材質、厚度，及其與AiP的間距，往往皆會對AiP的性能造成不等程度的影響或劣化[12]，且內置AiP鄰近的系統內部電氣與結構環境，也有影響其天線性能的可能。但此AiA設計，因非內置擺放，故前述因素的影響程度可較小。而天線陣列的饋入機制（與對應的損耗）亦為AiA設計與性能的關鍵，vivo也已進行了相關設計與分析（如下圖20所示為基于（但不限）FPC方式的饋入），及進行IEEE投稿并陸續獲錄取，將在之后與大家分享，謝謝。”

圖20