5G手机天线设计再升华：基于AiA设计，vivo再创新发布双频双极化5G毫米波与LTE天线整合封装（AiAiP）设计！

今年二月一日，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，即AiA（mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas）^[1]，惊艳地为5G手机天线设计写下了的新篇章。如vivo高级天线技术总监/ 首席天线专家黄奂衢博士在AiA方案发布时提出，对于AiA设计，其馈入部的设计与对应的路损是影响AiA辐射性能的关键之一。而今日，vivo天线预研团队正式对外发布升华AiA设计的AiAiP（mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas integrating a package）设计方案^[2]，即双频双极化5G毫米波与LTE天线整合封装设计。而此AiAiP设计也是vivo天线预研团队去年继完成AiA设计后，持续进行的升华设计，同样地，其可突破金属外观限制，且可实现增强AiA的总体辐射性能。vivo团队已对AiAiP设计进行IEEE投稿，将于今年五月IEEE的首届中欧微波会议上进行展示。此外，今年七月的IEEE 天线与传播的年度旗舰会议International Symposium on Antennas and Propagation，vivo也受邀将进行题为“Overview of 5G mm-Wave Antenna Design Solutions in Cellular Phones: AiP, AiA, and AiAiP ”的分享。

黄奂衢博士表示：“如之前分享，现今毫米波天线主流成熟的方案为AiP（antenna-in-package）的模块化设计，AiP方案主要因其RFIC与毫米波天线阵列相距较近，而有低路损的优点，故AiP方案已被众多学者专家深入地进行研究、设计^[3]–[7]，与产品商用。然而，AiP方案较受制于产品的金属外观（如金属框或金属壳等）设计，故常需在金属外观上进行足够尺寸的开口避让以可置入AiP模块，而此举往往会较大程度地影响产品外观金属设计的完整性与竞争力；故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在今年二月初抛转引玉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）。而基于AiA的辐射部设计架构，vivo天线预研团队去年持续进行多种（如基于FPC ^[8]与RF cables ^[9]）馈入部的研究与设计，为了进一步强化AiA的辐射性能，故vivo天线预研团队提出了AiAiP方案。而AiAiP的赋名来自AiA与AiP，即从字面而言AiAiP = AiA + AiP，而从字义与工程设计而言，AiAiP亦即是基于AiA的辐射部（外部维度）加上AiP的馈入部（内部维度），也就是取AiA与AiP两者之所长，去两者之所短，融合而成的升华版设计方案。诚盼各位老师、专家学者，与先进同好，匡辅指导为幸。”

本文以下主要为选取节录自vivo前述投稿AiAiP的文章（略除细部尺寸与参数），以进行相关设计概念的分享。此AiAiP设计同样基于AiA设计时的手机模型，即下图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），且透过电磁仿真软件Dassault 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中显示前述AiAiP的设计方案，即一个5单元的线形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，而所示尺寸单位皆为mm；同样地，从图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，故屏幕可视区的屏占比高于91.5%。而图3则为去除掉后盖的内部侧视图，并呈现AiAiP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）如前所述可设计于AiAiP两侧的金属框上。

<图1>

<图2>

<图3>

同之前AiA设计，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；此外，经由适当的RFIC馈入相位设定，此天线亦可达双频段的右手圆极化（RHCP）与左手圆极化（LHCP）辐射。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单元双频双极化的缐形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个天线单元在金属边框上的馈入端口，每两个端口成对而馈入一个天线单元，奇数编号端口激励垂直极化（V-pol.），而偶数编号端口激励水平极化（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天线主辐射部亦为此金属边框，故形成了突破金属外观的AiAiP辐射部的设计。

<图4>

<图5>

<图6>

而在AiAiP的馈入部设计上，如前文所述及下图7至图9所示，其是由：(1) AiP方案中金属IC屏蔽罩（灰色）内的IC（如RFIC与/ 或PMIC）、(2) IC屏蔽罩，与(3)附有连接座（设为金属，灰色）的IC载板（上下层皆铺铜，中间为介质板，并用vias贯穿板材连接上下层的铜），此三者所组成。而此馈入部直接贴附于前述作为辐射部的金属边框上，且IC载板上的10个射频端口P1–P10与前述金属边框的10个馈入端口P1’–P10’进行相对应连接。

<图7>

<图8>

<图9>

图10与图11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 by 50 Ω）的情形进行。而以图10中的|S_nn|≤–10 dB而言，此设计的天线单元于垂直极化工作时可覆盖现今5G毫米波较为成熟的n261与n260的两个热点频段，而图11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–0.99 dB及–0.93 dB，而水平极化工作时天线总效率则分别为–1.03 dB及–0.93 dB。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6.56 dBi及6.42 dBi；而28.0 GHz及39.0 GHz的水平极化峰值实际增益则分别为5.40 dBi及6.06 dBi。此些数值与前文AiA基于理想馈入的性能数值甚为接近（最大差距小于0.3 dB），即表示AiAiP方案的馈入损耗相对于基于FPC ^[8]或RF cable ^[9]的馈入机制，确实更小。图12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13为天线单元三的3D辐射方向图，而图14与图15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10>

<图11>

<图12>

<图13>

<图14>

<图15>

下图16为5天线单元的线性天线阵列的|S_nn|与|S_mn|，同理，以|S_nn|≤–10 dB而言，于垂直极化工作时可覆盖27.39 GHz–28.56 GHz及36.89 GHz–40.13 GHz，而水平极化工作时则可覆盖27.33 GHz–28.55 GHz及36.89 GHz–40.20 GHz，故此天线阵列可覆盖n261与n260两频段。

<图16>

下图17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17>

下图18与图19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20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21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。同样地，若经由适当的RFIC馈入相位设定，此天线阵列亦可达双频段的右手圆极化（RHCP）与左手圆极化（LHCP）辐射。

<图18>  28.0 GHz波束扫描实际增益方向图（各图对应相同scale）

<图19>  39.0 GHz波束扫描实际增益方向图（各图对应相同scale）

<图20>

<图21>

下图22为LTE低高频天线的|S_nn|与天线总效率，当|S_nn|≤–6 dB时，覆盖带宽为877 MHz–964 MHz及2271 MHz–2751 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：–3.36 dB、–1.58 dB，与–1.77 dB，故可良好地进行4G LTE无线通信。

<图22>

最后，黄奂衢博士进一步表示：“AiAiP设计，除与可AiA相同地维护金属外观的完整度，更可减少AiA设计的馈入路损，以达到更优的总体辐射性能。AiP有低路损的优点，故于现今的产品商用上，AiP是毫米波天线设计的成熟主流方案，而若面临金属的遮蔽与覆盖，因物理的本然限制，AiP方案较难以突破，故较难有良好的辐射性能。而AiA可克服金属的遮蔽与覆盖，并良好地与金属外观天线进行整合复用，但AiA的挑战主要来自较AiP为高的馈入路损。然而，AiP面对的物理限制往往比AiA面临的工程挑战更不易突破，因AiA的路损有机会随着材料科技应用与制程工艺技术的工程演进而逐渐减低。而AiA与AiP乍看似两轨平行而互补的设计方案，经由相互地取长补短，可进而融合出一道创新的设计方向，而这或许可为金属外观手机的毫米波天线设计进一步带来新的契机。同样地，AiAiP方案，对相关实现制程工艺也有新的要求。而AiP、AiA, 与AiAiP的主要技术维度大方向上的相对综合比较如下表1所示。此外，值得关注的是，散热设计（thermal design）对毫米波无线通信的有源（active）性能，影响甚深，谢谢。”

<表1>  AIP, AIA, AND AIAIP的比较表

项 目 注: #1 (优) > #2 (可) > #3 (差)	毫米波天线方案
	AiP	AiA*	AiAiP
与金属外观兼容性	#3	#1	#1
具挑战外观共形性	#3	#1	#2
与非毫米波天线的整合性	#3	#1	#2
馈入路径损耗	#1	#3	#2
因内部环境或背盖引起性能劣化的抵抗力	#3	#1	#2

* : 此处AiA的馈入部为FPC或RF cables

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]    Y. Wang, H.-C. Huang, and X. Jian, “Novel integrated design of dual-band dual-polarization mm-Wave antennas in non-mm-wave antennas integrating a package (AiAiP) with a metal frame for a 5G phone,” Eur. Microw. Conf. Central Eur., Prague, Czech, May 2019 (accepted).
[3]    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.
[4]    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.
[5]    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.
[6]    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.
[7]   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.
[8]    H.-C. Huang, Y. Wang, and X. Jian, “Novel integrated design of a dual-band dual-polarization 5G mm-Wave antenna array fed by FPCs with a U-slotted full-metal case for a cellular phone,” Int. Workshop Antenna Techn., Miami, Florida, U.S.A., Mar. 2019 (accepted).
[9]    Y. Wang, H.-C. Huang and X. Jian, “Integrated design of a cable-fed dual-band dual-polarization 5G mm-Wave antenna array with a U-slotted full-metal casing for a cellular phone,” Int. Conf. Microw. Mm Wave Tech., Guangzhou, Guangdong, China, May. 2019 (accepted).
[10]  K.-L. Wong, and Y.-C. Wu, “Small-size dual-wideband IFA frame antenna closely integrated with metal casing of the LTE smartphone and having decreased user’s hand effects,” Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 59, pp. 2853–2858, Dec. 2016
[11]  O. Jo, J.-J. Kim, J. Yoon, D. Choi, and W. Hong, “Exploitation of dual-polarization diversity for 5G millimeter-wave
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