5G手机天线设计新里程： 突破金属外观限制，vivo惊艳领跑发布双频双极化5G毫米波与LTE整合天线（AiA）设计！

今日，vivo天线预研团队领跑发布突破金属外观限制且整合双频双极化的5G毫米波及4G LTE的崭新手机天线设计，惊艳地率先为5G手机天线设计与研究开启了的新里程。vivo天线预研团队于去年便开始此方向的设计，并赋名为AiA（mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas），且进行IEEE的投稿，而此AiA设计将于今年（2019年）三月的IEEE iWAT国际天线会议上进行详细发表展示 [1]。

vivo高级天线总监/ 首席天线专家黄奂衢博士表示：“目前毫米波主流成熟的方案为AiP（antenna-in-package）的模块设计，AiP方案因其RFIC与毫米波天线阵列相距较近，有低路损的优点，故许多专家和学者对AiP进行广泛而深入的良好相关研究与设计 [2]–[6]，且AiP方案已于60 GHz毫米波（IEEE 802.11 ad，或称WiGig）及5G毫米波等应用上商用；此外，为了更广的空间覆盖和避免手握影响，终端的毫米波阵列往往需在多处（至少两处以上）甚至是多朝向（如：朝产品的侧立面与背盖面）进行设置。然而，若手机外观为金属设计，如金属框或金属壳，则常需在此金属外观上进行足够尺寸的开口与让位以置入AiP模块方案，而这常会较大程度地降低产品外观金属设计的完整性与竞争力；此外，因产品边缘往往为圆弧角设计，故一般的AiP模块若侧立置放时对产品边缘收弧较难共形，而需倾斜放置，进而造成排挤与增大产品的内部堆叠空间。有鉴于更好的金属外观兼容性，基于外观金属的单频毫米波天线设计也被提出 [7]–[8]，且为了更好的支持现今全球主流5G毫米波频段n261（27.50 GHz–28.35 GHz）与n260（37.0 GHz–40.0 GHz），vivo在去年首先发表了与金属外形整合的双频毫米波天线设计 [9]；而在更好地支持产品金属外观设计、复用天线辐射体，以进一步减少所需的系统容纳空间，及达到更好的5G毫米波无线通信体验的考量下，vivo在此进一步地提出了双频双极化的5G毫米波与非毫米波（如：LTE天线）的整合设计（AiA）。AiA为vivo去年（2018年）在IEEE iWAT受邀报告上提出并赋名。vivo天线预研团队抛转引玉，冀盼各位老师、专家学者、先进同好，不吝指导与斧正为是。“

下文主要为选取节录自vivo前述投稿文章（略除细部尺寸与参数），以进行AiA相关设计概念的分享。此AiA设计为基于下图1中所示的一金属边框玻璃背盖的手机模型（其正面与背面外观相同）透过电磁仿真软件CST 2018进行。图中黄色部分为金属，蓝色部分为屏幕玻璃，而棕色部分为介电材质的包胶。图1中可看出一个5单元的5G毫米波天线阵列集成于金属边框中，且这金属边框同时也作为LTE低与高频的天线，图1中的尺寸单位皆为mm；而图2中可知当屏幕玻璃去除后，显示器模组与金属边框内侧距离为2.5 mm，即屏幕可视区的屏占比高于91.5%。图3则为去除掉后盖的内部侧视图，并显示AiA毫米波阵列中间天线单元（单元三）的位置，而LTE中频天线与非蜂窝天线（如：GNSS，与WiFi和蓝牙等）（但不限）则可设计于AiA两侧的金属框上。

图1

图2

图3

而图4则为图3中天线单元三（即阵列的中央单元）的放大图，可看出天线单元设计为双馈的stacked patch antenna，以能达到双频双极化。图5则是基于图4的天线单元三作为建构单元（building block）而设计的5单元双频双极化的5G毫米波天线阵列；其中图4与图5中阵列单元旁的介电填胶（即图1中的灰色部分）被隐藏以可较清楚地了解天线结构。而图6中的P1–P10则是5个天线单元的馈入端口，每两个端口成对而馈入一个天线单元，奇数端口激励垂直极化（V-pol.），而偶数端口激励水平极化（H-pol.）。此外，图6亦为LTE的天线结构 [10]，其中红色符号为LTE的馈入端口，蓝色符号则为其匹配器件，LTE天线主辐射部即为此金属边框，故形成了突破金属外观的AiA设计。

图4

图5

图6

图7与图8为单一天线单元三的两种端口负载情形的S参数、天线总效率，与峰值实际增益（realized gain）的性能比较，可看出在3GPP 5G 毫米波n261与n260带内，此两种端口负载情形的性能趋势相近，而端口断开（open）[11] 的n260峰值实际增益稍高，故此设计选择端口加载（loaded）的情形进行。而以图7中的|S_nn| ≤ –10dB而言，此设计的天线单元于垂直极化工作时可覆盖27.18 GHz–28.58 GHz及36.92 GHz–40.21 GHz，而于水平极化工作时则可覆盖27.28 GHz–28.58 GHz及36.89 GHz–40.30GHz，故此天线单元可涵盖现今5G毫米波较为成熟的n261与n260的两个热点频段，而图8则为此天线单元的垂直与水平极化的天线总效率与峰值实际增益。对于代表n261与n260频段的两频点28.0 GHz及39.0 GHz而言，于垂直极化工作时两频点对应的天线总效率分别为–0.94dB及–0.78dB，而水平极化工作时天线总效率则分别为–0.99dB及–0.77dB。此外，28.0 GHz及39.0 GHz的垂直极化峰值实际增益（peak realized gain）则分别为6.79dBi及6.59dBi；而28.0 GHz及39.0 GHz的水平极化峰值实际增益则分别为5.43dBi及6.20dBi。图9为天线单元三在28.0 GHz与39.0 GHz时垂直极化端口与水平极化端口激励时的电流分布图，而在28.0 GHz电流分布图中，上层的patch被隐藏，以助观察下层patch上的电流分布。图10为天线单元三的3D辐射方向图，而图11与图12为其在phi = 0°与theta = 90°此两切面上2D的平行极化（co-pol）与交叉极化（x-pol）的实际增益方向图（gain patterns）。

图7

图8

图9

图10

图11

图12

下图13为5天线单元的线性天线阵列的|S_nn|与|S_mn|，同理，以|S_nn| ≤ –10dB而言，于垂直极化工作时可覆盖27.44 GHz–28.56 GHz及36.92 GHz–40.22 GHz，而水平极化工作时则可覆盖27.32 GHz–28.56 GHz及36.96 GHz–40.34GHz，故此天线阵列可覆n261与n260的两频段。

图13

下图14为5天线单元天线阵列在theta = 90°平面上扫描角为phi = 0°时28.0 GHz与39.0 GHz垂直与水平极化激励的电流分布图。而在28.0 GHz图中，上层patch被隐藏，以利观察下层patch上的电流分布。

图14

下图15与图16分别为此天线阵列垂直与水平极化激励时在28.0 GHz与39.0 GHz的3D波束扫描实际增益方向图，而图17为在上述扫描波束在theta = 90°平面上的2D实际增益场型图。此设计以5 dB [7] 的旁瓣凖位（side-lobe level, SLL）作为波束扫描的工作界定。图18则呈现了上述在theta = 90°平面上不同扫描角的天线阵列总天线效率与峰值实际增益值。而在theta = 90°平面上，对应28.0 GHz与39.0 GHz的垂直极化扫描波束，最大的峰值实际增益分别为11.49 dBi与13.27 dBi；同理，而28.0 GHz与39.0 GHz的水平极化扫描波束，最大的峰值实际增益分别为11.35 dBi与12.18dBi。

图15

图16

图17

图18

下图19为LTE低高频天线的|S_nn|与天线总效率，当|S_nn| ≤ –6dB时，覆盖带宽为872 MHz–962 MHz及2265 MHz–2740 MHz，故此LTE天线可涵盖LTE Band 8（880 MHz–960 MHz）、Band 40（2300 MHz–2400 MHz），与Band 41（2496 MHz–2690 MHz），若要进行不同低频段（如：LTE Band 17、Band 20，或Band 5等）的覆盖，则可使用电调（tunable）器件。而在LTE Band 8、Band 40，与Band 41带内（in-band）的最低天线总效率分别为：–3.44 dB、–1.37 dB，与–1.72 dB，故可良好地进行无线通信。

图19

最后，黄奂衢博士表示：“此AiA设计，除了可更好地维护金属外观的完整度，也可支撑较佳的产品外形的共形性，并减少系统内部对此两种天线所需的容纳空间，且此种天线单元设计，因单元底部金属屏蔽的效果，故毫米波天线阵列对其后方的环境，如：相关器件、背盖材质与厚度，及馈入结构等，可较不敏感故而有较稳定的天线性能。此外，因当AiP为系统内置摆放时，则其上或其前的背盖（即天线罩）材质、厚度，及其与AiP的间距，往往皆会对AiP的性能造成不等程度的影响或劣化[12]，且内置AiP邻近的系统内部电气与结构环境，也有影响其天线性能的可能。但此AiA设计，因非内置摆放，故前述因素的影响程度可较小。而天线阵列的馈入机制（与对应的损耗）亦为AiA设计与性能的关键，vivo也已进行了相关设计与分析（如下图20所示为基于（但不限）FPC方式的馈入），及进行IEEE投稿并陆续获录取，将在之后与大家分享，谢谢。”

图20

参考文献：
[1]     H.-C. Huang, Y. Wang, and X. Jian, “Novel integrated design of dual-band dual-polarization mm-wave antennas in non-mm-wave antennas (AiA) with a metal frame for a 5G phone,” Int. Workshop Antenna Techn., Miami, Florida, U.S.A., Mar. 2019 (accepted).
[2]    D. Liu, X. Gu, C. W. Baks, and A. Valdes-Garcia, “Antenna-in-Package design considerations for Ka-band 5G communication applications,”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 12, pp. 6372–6379, Dec. 2017.
[3]     W. Hong, K.-H. Baek, and S. Ko, “Millimeter-wave 5G antennas for smartphones: overview and experimental demonstration,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 12, pp. 6250–6261, Dec. 2017.
[4]    W. Hong, K-H. Baek, and A. Goudelev, “Grid assembly-free 60-GHz antenna module embedded in FR-4 transceiver carrier baord,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. 4, pp. 1573–1580, Apr. 2013.
[5]     Y. P. Zhang, and D. Liu, “Antenna-on-chip and antenna-in-package solutions to highly integrated millimeter-wave devices for wireless communications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 10, pp. 2830–2841, Oct. 2009.
[6]     Z. N. Chen, B. P. Gaucher, D. Liu, U. R. Pfeiffer, and T. M. Zwick, Apparatus and methods for packaging dielectric resonator antennas with integrated circuit chips, US patent 7,504, 721 B2, Mar. 2009, pp. 1–15.
[7]    B. Yu, K. Yang, C.-Y.-D. Sim, and G. Yang, “A novel 28 GHz beam steering array for 5G mobile device with metallic casing application,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 1, pp. 462–466, Jan. 2018.
[8]     J. Bang, Y. Hong, and J. Choi, “Mm-Wave phased array antenna for whole-metal-covered 5G mobile phone applications,” in Proc. Int. Symp. Antennas Propag., Phuket, Thailand, Oct. 2017, pp. 1–2.
[9]     Y. Wang, H.-C. Huang, and X. Jian, “Novel design of a dual-band 5G mm-Wave antenna array integrated with a metal frame of a cellular phone,” in Proc. Asia-Pac. Microw. Conf., Kyoto, Japan, Nov. 2018, pp. 1582–1584.
[10] L.-Y. Chen, Y.-C. Wu, and K.-L. Wong, “Triple-wideband inverted-F frame antenna for the LTE metal-casing smartphone,” inProc. Eur. Conf. Antennas Propag., Paris, France, Mar. 2017, pp. 3064–3068.
[11] O. Jo, J.-J. Kim, J. Yoon, D. Choi, and W. Hong, “Exploitation of dual-polarization diversity for 5G millimeter-wave MIMO beamforming systems,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 12, pp. 6646–6655, Dec. 2017.
[12] H.-C. Huang, Y. Wang, and X. Jian, “Influence analysis of popular dielectric materilas for cellular phones on 5G mm-wave antenna performance,” Int. Workshop Antenna Techn., Miami, Florida, U.S.A., Mar. 2019 (accepted).