今年二月一日，vivo天線預(yù)研團隊領(lǐng)跑發(fā)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(shè)計，即AiA（mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas）^[1]，驚艷地為5G手機天線設(shè)計寫下了的新篇章。如vivo高級天線技術(shù)總監(jiān)/ 首席天線專家黃奐衢博士在AiA方案發(fā)布時提出，對于AiA設(shè)計，其饋入部的設(shè)計與對應(yīng)的路損是影響AiA輻射性能的關(guān)鍵之一。而今日，vivo天線預(yù)研團隊正式對外發(fā)布升華AiA設(shè)計的AiAiP（mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas integrating a package）設(shè)計方案^[2]，即雙頻雙極化5G毫米波與LTE天線整合封裝設(shè)計。而此AiAiP設(shè)計也是vivo天線預(yù)研團隊去年繼完成AiA設(shè)計后，持續(xù)進行的升華設(shè)計，同樣地，其可突破金屬外觀限制，且可實現(xiàn)增強AiA的總體輻射性能。vivo團隊已對AiAiP設(shè)計進行IEEE投稿，將于今年五月IEEE的首屆中歐微波會議上進行展示。此外，今年七月的IEEE 天線與傳播的年度旗艦會議International Symposium on Antennas and Propagation，vivo也受邀將進行題為“Overview of 5G mm-Wave Antenna Design Solutions in Cellular Phones: AiP, AiA, and AiAiP ”的分享。

黃奐衢博士表示：“如之前分享，現(xiàn)今毫米波天線主流成熟的方案為AiP（antenna-in-package）的模塊化設(shè)計，AiP方案主要因其RFIC與毫米波天線陣列相距較近，而有低路損的優(yōu)點，故AiP方案已被眾多學(xué)者專家深入地進行研究、設(shè)計^[3]–[7]，與產(chǎn)品商用。然而，AiP方案較受制于產(chǎn)品的金屬外觀（如金屬框或金屬殼等）設(shè)計，故常需在金屬外觀上進行足夠尺寸的開口避讓以可置入AiP模塊，而此舉往往會較大程度地影響產(chǎn)品外觀金屬設(shè)計的完整性與競爭力；故在更好地支持產(chǎn)品金屬外觀設(shè)計、復(fù)用天線輻射體，以進一步減少所需的系統(tǒng)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在今年二月初拋轉(zhuǎn)引玉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(shè)計（AiA）。而基于AiA的輻射部設(shè)計架構(gòu)，vivo天線預(yù)研團隊去年持續(xù)進行多種（如基于FPC ^[8]與RF cables ^[9]）饋入部的研究與設(shè)計，為了進一步強化AiA的輻射性能，故vivo天線預(yù)研團隊提出了AiAiP方案。而AiAiP的賦名來自AiA與AiP，即從字面而言AiAiP = AiA + AiP，而從字義與工程設(shè)計而言，AiAiP亦即是基于AiA的輻射部（外部維度）加上AiP的饋入部（內(nèi)部維度），也就是取AiA與AiP兩者之所長，去兩者之所短，融合而成的升華版設(shè)計方案。誠盼各位老師、專家學(xué)者，與先進同好，匡輔指導(dǎo)為幸。”

本文以下主要為選取節(jié)錄自vivo前述投稿AiAiP的文章（略除細部尺寸與參數(shù)），以進行相關(guān)設(shè)計概念的分享。此AiAiP設(shè)計同樣基于AiA設(shè)計時的手機模型，即下圖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），且透過電磁仿真軟件Dassault 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(zhì)的包膠。圖1中顯示前述AiAiP的設(shè)計方案，即一個5單元的線形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，而所示尺寸單位皆為mm；同樣地，從圖2中可知，當(dāng)屏幕玻璃去除后，顯示器模組與金屬邊框內(nèi)側(cè)距離為2.5 mm，故屏幕可視區(qū)的屏占比高于91.5%。而圖3則為去除掉后蓋的內(nèi)部側(cè)視圖，并呈現(xiàn)AiAiP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）如前所述可設(shè)計于AiAiP兩側(cè)的金屬框上。

<圖1>

<圖2>

<圖3>

同之前AiA設(shè)計，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(shè)計為雙饋的stacked patch antenna，以能達到雙頻雙極化；此外，經(jīng)由適當(dāng)?shù)腞FIC饋入相位設(shè)定，此天線亦可達雙頻段的右手圓極化（RHCP）與左手圓極化（LHCP）輻射。圖5則是基于圖4的天線單元三作為建構(gòu)單元（building block）而設(shè)計的5單元雙頻雙極化的缐形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(jié)構(gòu)。而圖6中的P1’–P10’則是5個天線單元在金屬邊框上的饋入端口，每兩個端口成對而饋入一個天線單元，奇數(shù)編號端口激勵垂直極化（V-pol.），而偶數(shù)編號端口激勵水平極化（H-pol.）。此外，圖6亦為LTE的天線結(jié)構(gòu)^[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天線主輻射部亦為此金屬邊框，故形成了突破金屬外觀的AiAiP輻射部的設(shè)計。

<圖4>

<圖5>

<圖6>

而在AiAiP的饋入部設(shè)計上，如前文所述及下圖7至圖9所示，其是由：(1) AiP方案中金屬IC屏蔽罩（灰色）內(nèi)的IC（如RFIC與/ 或PMIC）、(2) IC屏蔽罩，與(3)附有連接座（設(shè)為金屬，灰色）的IC載板（上下層皆鋪銅，中間為介質(zhì)板，并用vias貫穿板材連接上下層的銅），此三者所組成。而此饋入部直接貼附于前述作為輻射部的金屬邊框上，且IC載板上的10個射頻端口P1–P10與前述金屬邊框的10個饋入端口P1’–P10’進行相對應(yīng)連接。

<圖7>

<圖8>

<圖9>

圖10與圖11為單一天線單元三的兩種端口負載情形的S參數(shù)、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(nèi)，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(shè)計選擇端口加載（loaded by 50 Ω）的情形進行。而以圖10中的|S_nn|≤–10 dB而言，此設(shè)計的天線單元于垂直極化工作時可覆蓋現(xiàn)今5G毫米波較為成熟的n261與n260的兩個熱點頻段，而圖11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(yīng)的天線總效率分別為–0.99 dB及–0.93 dB，而水平極化工作時天線總效率則分別為–1.03 dB及–0.93 dB。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6.56 dBi及6.42 dBi；而28.0 GHz及39.0 GHz的水平極化峰值實際增益則分別為5.40 dBi及6.06 dBi。此些數(shù)值與前文AiA基于理想饋入的性能數(shù)值甚為接近（最大差距小于0.3 dB），即表示AiAiP方案的饋入損耗相對于基于FPC ^[8]或RF cable ^[9]的饋入機制，確實更小。圖12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13為天線單元三的3D輻射方向圖，而圖14與圖15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10>

<圖11>

<圖12>

<圖13>

<圖14>

<圖15>

下圖16為5天線單元的線性天線陣列的|S_nn|與|S_mn|，同理，以|S_nn|≤–10 dB而言，于垂直極化工作時可覆蓋27.39 GHz–28.56 GHz及36.89 GHz–40.13 GHz，而水平極化工作時則可覆蓋27.33 GHz–28.55 GHz及36.89 GHz–40.20 GHz，故此天線陣列可覆蓋n261與n260兩頻段。

<圖16>

下圖17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17>

下圖18與圖19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20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(shè)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21則呈現(xiàn)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。同樣地，若經(jīng)由適當(dāng)?shù)腞FIC饋入相位設(shè)定，此天線陣列亦可達雙頻段的右手圓極化（RHCP）與左手圓極化（LHCP）輻射。

<圖18>  28.0 GHz波束掃描實際增益方向圖（各圖對應(yīng)相同scale）

<圖19>  39.0 GHz波束掃描實際增益方向圖（各圖對應(yīng)相同scale）

<圖20>

<圖21>

下圖22為LTE低高頻天線的|S_nn|與天線總效率，當(dāng)|S_nn|≤–6 dB時，覆蓋帶寬為877 MHz–964 MHz及2271 MHz–2751 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(diào)（tunable）器件。而在LTE Band 8、Band 40，與Band 41帶內(nèi)（in-band）的最低天線總效率分別為：–3.36 dB、–1.58 dB，與–1.77 dB，故可良好地進行4G LTE無線通信。

<圖22>

最后，黃奐衢博士進一步表示：“AiAiP設(shè)計，除與可AiA相同地維護金屬外觀的完整度，更可減少AiA設(shè)計的饋入路損，以達到更優(yōu)的總體輻射性能。AiP有低路損的優(yōu)點，故于現(xiàn)今的產(chǎn)品商用上，AiP是毫米波天線設(shè)計的成熟主流方案，而若面臨金屬的遮蔽與覆蓋，因物理的本然限制，AiP方案較難以突破，故較難有良好的輻射性能。而AiA可克服金屬的遮蔽與覆蓋，并良好地與金屬外觀天線進行整合復(fù)用，但AiA的挑戰(zhàn)主要來自較AiP為高的饋入路損。然而，AiP面對的物理限制往往比AiA面臨的工程挑戰(zhàn)更不易突破，因AiA的路損有機會隨著材料科技應(yīng)用與制程工藝技術(shù)的工程演進而逐漸減低。而AiA與AiP乍看似兩軌平行而互補的設(shè)計方案，經(jīng)由相互地取長補短，可進而融合出一道創(chuàng)新的設(shè)計方向，而這或許可為金屬外觀手機的毫米波天線設(shè)計進一步帶來新的契機。同樣地，AiAiP方案，對相關(guān)實現(xiàn)制程工藝也有新的要求。而AiP、AiA, 與AiAiP的主要技術(shù)維度大方向上的相對綜合比較如下表1所示。此外，值得關(guān)注的是，散熱設(shè)計（thermal design）對毫米波無線通信的有源（active）性能，影響甚深，謝謝。”

<表1>  AIP, AIA, AND AIAIP的比較表

項 目 注: #1 (優(yōu)) > #2 (可) > #3 (差)	毫米波天線方案
	AiP	AiA*	AiAiP
與金屬外觀兼容性	#3	#1	#1
具挑戰(zhàn)外觀共形性	#3	#1	#2
與非毫米波天線的整合性	#3	#1	#2
饋入路徑損耗	#1	#3	#2
因內(nèi)部環(huán)境或背蓋引起性能劣化的抵抗力	#3	#1	#2

* : 此處AiA的饋入部為FPC或RF cables

參考文獻：

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