毫米波科技于手機(jī)上的應(yīng)用除了熟知的5G毫米波外，另一潛在的新興應(yīng)用便是60-GHz毫米波的運(yùn)動(dòng)（如：手勢(shì)或頭部動(dòng)作）識(shí)別雷達(dá)。而顯示屏是手機(jī)極為重要且顯性的關(guān)鍵特點(diǎn)（feature），隨著2017年而起的全面屏風(fēng)潮，對(duì)現(xiàn)今主流手機(jī)而言，大屏或高屏占比的設(shè)計(jì)，早已成為標(biāo)準(zhǔn)的基本配置。然而，對(duì)于用戶多數(shù)的手機(jī)無線操控運(yùn)動(dòng)，尤其是手勢(shì)或頭部動(dòng)作，往往偵測(cè)的方向是需朝向顯示屏前方，而此隱含著雷達(dá)天線的輻射方向圖應(yīng)是出屏面而朝用戶的方向。而目前的主流設(shè)計(jì)為在顯示屏上開設(shè)無金屬遮擋的天線窗口（如：劉海notch）而在此窗口下放置60-GHz毫米波的AiP（antenna-in-package）方案（或直接采取非高屏占比的設(shè)計(jì)以可在非屏區(qū)下裝設(shè)60-GHz毫米波的AiP模塊）；如此，雷達(dá)波束方可有較佳的輻射出屏面而朝向用戶，以有助用戶的無線操控體驗(yàn)。然而，此設(shè)計(jì)常會(huì)影響甚而阻礙手機(jī)高屏占比或是全面屏之設(shè)計(jì)，而顯示屏的觀感與體驗(yàn)卻又如前所述往往是手機(jī)重中之重。故，如何于手機(jī)上兼容全面屏與60-GHz毫米波運(yùn)動(dòng)識(shí)別雷達(dá)便成為手機(jī)天線研究與設(shè)計(jì)的新熱點(diǎn)課題。

近日，一篇去年由vivo移動(dòng)通信公司天線預(yù)研團(tuán)隊(duì)投稿基于AiAiP ^[1]–[3]的手機(jī)毫米波天線創(chuàng)新設(shè)計(jì)以可兼容手機(jī)全面屏與60-GHz毫米波天線的研究文章^[4]于今年的EuCAP（歐洲天線與傳播會(huì)議）線上刊出，此創(chuàng)新設(shè)計(jì)不但有助于未來手機(jī)全面屏與60-GHz毫米波天線及LTE天線三者兼容設(shè)計(jì)的新思路拓展，且此設(shè)計(jì)亦納入了手機(jī)的屏幕玻璃與玻璃粘膠對(duì)毫米波天線的覆蓋，故更具實(shí)際的設(shè)計(jì)指導(dǎo)功用。

文章作者表示：“此研究的主要框架與思路起源于2018年下半年，于2019年投稿文章前已進(jìn)行相關(guān)專利申請(qǐng)，而此設(shè)計(jì)理念秉承了先前同樣地由此天線預(yù)研團(tuán)隊(duì)所提出的AiA ^[5]–[6]及AiAiP ^[1]–[3]思維，即把原先對(duì)天線設(shè)計(jì)為不利或制約因素的金屬邊框，轉(zhuǎn)化為對(duì)天線設(shè)計(jì)有利而助益的天線載體，以可突破原先的設(shè)計(jì)限制，并兼容全面屏設(shè)計(jì)，而達(dá)到有效輻射的目的及更有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。因基于金屬邊框設(shè)計(jì)的毫米波天線的輻射方向要求需出屏面而朝向用戶，但受限于有限的金屬邊框厚度及有限的機(jī)內(nèi)堆疊空間，一般形式的天線設(shè)計(jì)方案^[7]–[10]往往較難同時(shí)滿足產(chǎn)品與輻射的需求，故此處方案為于金屬邊框上設(shè)計(jì)嵌入式（embedded）的H面扇形喇叭天線（H-plane sectoral horn antenna），以良好地復(fù)用狹窄的金屬邊框作為喇叭天線的邊界金屬（因H面的喇叭天線是平行沿著（而非正交于）金屬邊框進(jìn)行長(zhǎng)邊開口，故無需增加金屬邊框的厚度，即不影響全面屏的可視區(qū)（active area），即A.A.區(qū)，的占比）并可得到所需的出屏面而朝用戶的輻射方向圖，且此60-GHz毫米波天線也進(jìn)一步與金屬邊框的LTE天線進(jìn)行嵌入式的集成設(shè)計(jì)，故此兩類天線可共享金屬結(jié)構(gòu)而臻至更為緊湊且克服金屬屏蔽的設(shè)計(jì)；此外，若整機(jī)條件允許，此設(shè)計(jì)亦可進(jìn)行多處布局放置，以達(dá)用戶更優(yōu)的無線操控體驗(yàn)。于此拋磚引玉，望各位老師、學(xué)者專家，與朋友先進(jìn)，惠予匡斧指導(dǎo)。”

下文主要為節(jié)錄選取自前述發(fā)表的文章（略除細(xì)部尺寸與參數(shù)），以進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)思路的分享。此設(shè)計(jì)與仿真為基于電磁仿真軟件Dassault System Simulia CST 2018進(jìn)行, 而如下圖1所示，此手機(jī)外觀為金屬邊框及正反兩面皆為100%玻璃覆蓋（而正面與背面外觀皆相同）且為典型實(shí)際尺寸的模型。圖中黃色部分為金屬，藍(lán)色部分為屏幕玻璃，而棕色部分為介電材質(zhì)的包膠。而圖2為當(dāng)屏幕玻璃去除后的，手機(jī)內(nèi)部正視圖，由圖2中可看出4個(gè)60-GHz毫米波天線（其中1個(gè)為發(fā)射天線，3個(gè)為接收天線）內(nèi)嵌集成于金屬邊框中，且此金屬邊框同時(shí)也作為L(zhǎng)TE低與高頻的天線，屏幕的可視區(qū)（即A.A.區(qū)）對(duì)于手機(jī)整個(gè)正面的占比高于91.7%。而圖3則為去除掉后蓋玻璃的內(nèi)部視圖，在頂部與底部金屬框各有兩個(gè)T形開縫（外窄內(nèi)寬），以利LTE天線的設(shè)計(jì)。而圖1–3中的尺寸單位皆為毫米（mm）。

圖4為對(duì)單一H-plane sectoral horn antenna設(shè)計(jì)時(shí)的傾斜背視布局圖，其為內(nèi)嵌于圖中設(shè)為半透明的中段金屬框內(nèi)（此金屬框同時(shí)亦為L(zhǎng)TE低與高頻天線），而左右兩端的金屬框，則可分別作為L(zhǎng)TE中頻與non-cellular 天線（如：GNSS或WiFi天線）。而圖5則是此內(nèi)嵌式H面的扇形喇叭天線的透視與放大圖，灰色喇叭天線的內(nèi)為介質(zhì)填膠，粉色為沿著金屬框與玻璃間的粘膠（adhesive tape）而圖6顯示了喇叭天線的饋入頂針及其位置。此外，因形成喇叭天線邊界金屬的自我屏蔽效果，故此設(shè)計(jì)天線對(duì)金屬邊框內(nèi)側(cè)的整機(jī)系統(tǒng)堆疊與布局可較不敏感，故可有較為穩(wěn)定的天線性能，以可增加系統(tǒng)堆疊與布局設(shè)計(jì)的靈活度。

圖7為基于圖4喇叭天線的x方向中心線上的y–z面堆疊圖，可知此設(shè)計(jì)考慮了毫米波天線附近環(huán)境中多種手機(jī)堆疊的相關(guān)實(shí)務(wù)因子，如屏幕玻璃、玻璃粘膠、顯示屏體、主板，及T形斷縫內(nèi)與系統(tǒng)內(nèi)部的填膠等。且基于AiAiP的設(shè)計(jì)，作為低與高頻LTE天線的金屬外框內(nèi)側(cè)也集成了源自AiP等^[11]–[15]的package作為饋入部（feeding part），以減少毫米波的饋入路損；而輻射部（radiating part）則是基于AiA的集成式內(nèi)嵌設(shè)計(jì)；故知AiAiP = AiA（輻射部）+ AiP的package（饋入部）。而圖8則為L(zhǎng)TE的天線設(shè)計(jì)，因全面屏對(duì)天線凈空區(qū)（keep-out area）的擠壓，為達(dá)到較佳的天線性能，此設(shè)計(jì)使用天線支架（antenna carrier），將LTE天線的一部分上抬離地^[16]。

圖9為基于圖4–圖6的單個(gè)喇叭天線作為建構(gòu)單元（building block）進(jìn)行4個(gè)等距且相同的內(nèi)嵌式喇叭天線布局透視圖，P_1’–P_4’分別對(duì)應(yīng)到4個(gè)喇叭天線的饋入端口，圖10則為加上封裝IC （如：RFIC與PMIC）載板及LTE天線支架的內(nèi)側(cè)視圖，而IC載板上的P₁–P₄（此視角時(shí)，P₄位置被LTE天線支架遮擋）分別是對(duì)應(yīng)4個(gè)射頻端口（來自4條RFIC所扇出的traces），此4個(gè)射頻端口與前述金屬邊框上的4個(gè)喇叭天線的饋入端口P_1’–P_4’進(jìn)行相對(duì)應(yīng)連接而達(dá)射頻能量的傳送。而圖11則為加上屏蔽罩與連接器的內(nèi)側(cè)視圖（LTE天線支架此時(shí)隱藏以利閱圖）。而此整體mockup的爆炸圖如圖12所示。

圖13為圖4單個(gè)喇叭天線在有及無玻璃與玻璃黏膠時(shí)兩場(chǎng)景的仿真|S_nn|性能對(duì)比圖，可看出玻璃與玻璃粘膠對(duì)天線端口的反射性能有顯著影響。當(dāng)然，真實(shí)的手機(jī)設(shè)計(jì)是屬有玻璃與玻璃粘膠之場(chǎng)景。而對(duì)于真實(shí)際場(chǎng)景（帶有玻璃與粘膠）下的帶寬（|S_nn| ≤–6 dB）為56.84 GHz–65.18 GHz，故可覆蓋常用的60-GHz運(yùn)動(dòng)識(shí)別頻段（57.0 GHz–64.0 GHz）。圖14則為圖4單喇叭天線在有與無玻璃及玻璃黏膠兩場(chǎng)景下的仿真天線總效率與仿真峰值實(shí)際增益（realized gain）的性能對(duì)比圖，對(duì)于真實(shí)際場(chǎng)景（即帶有玻璃與粘膠）而言，整個(gè)帶內(nèi)的天線效率高于–2.90 dB，而最高的天線效率值為–1.59 dB；而帶內(nèi)的峰值實(shí)際增益則高于3.0 dBi，最高的峰值實(shí)際增益值為5.61 dB。

圖15為圖4中單個(gè)喇叭天線（隱藏其中一半的喇叭天線結(jié)構(gòu)）在有玻璃及玻璃黏膠時(shí)在φ= 90° 切面于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三個(gè)頻點(diǎn)（低、中，高頻點(diǎn)）的電場(chǎng)分布圖，可知隨著頻率增高，電場(chǎng)反向行為隨之增加。圖16則為圖4中單個(gè)喇叭天線在有與無玻璃及玻璃黏膠兩場(chǎng)景下于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三個(gè)頻點(diǎn)在φ= 90° 及θ= 90° 兩切面上2D平行極化（co-pol.）與交叉極化（x-pol.）的仿真實(shí)際增益方向圖（realized gain patterns）。而圖17為單喇叭天線在有玻璃與黏膠覆蓋及圖18為單喇叭天線在無玻璃與黏膠覆蓋此兩場(chǎng)景下，于相同三頻點(diǎn)且同尺度（scale）的仿真3D實(shí)際增益輻射方向圖。由圖16–圖18顯示，在有玻璃及玻璃黏膠的場(chǎng)景下，隨著頻率增加，輻射方向圖愈分散；但在無玻璃及玻璃黏膠的場(chǎng)景下，輻射方向圖的形狀趨勢(shì)并未隨著頻率增加而分散，故玻璃及玻璃黏膠的覆蓋對(duì)天線的性能有顯著的影響。

圖19為圖9中4個(gè)喇叭天線（為真實(shí)際場(chǎng)景下，即帶有玻璃與玻璃粘膠）及圖4中單個(gè)喇叭天線的仿真|S_nn|性能對(duì)比圖，可知五個(gè)天線端口的反射性能基本一致，而|S_nn| ≤–6 dB的帶寬為56.86 GHz–65.16 GHz，故可覆蓋所需的60-GHz頻段。而圖20為此4個(gè)喇叭天線間的隔離度，而帶內(nèi)最差的隔離度高于27.57 dB。而圖21與圖22分別為在真實(shí)場(chǎng)景下（即有玻璃與粘膠覆蓋）4天線喇叭天線與單個(gè)喇叭天線的天線效率與峰值實(shí)際增益的仿真對(duì)比圖。于整個(gè)帶內(nèi)的4個(gè)喇叭天線的天線效率皆高于–3.08 dB，而最高的天線效率值為–1.59 dB；而帶內(nèi)的峰值實(shí)際增益則高于3.29 dBi，最高的峰值實(shí)際增益值為5.67 dBi。

下圖23為上述4個(gè)喇叭天線于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三個(gè)頻點(diǎn)在φ= 90°及θ= 90°兩切面上的2D平行極化與交叉極化仿真實(shí)際增益方向圖。從圖中可看出天線#1至天線#3的輻射行為甚為相近，但天線#4的輻射行為與天線#1–#3有所不同，主要是因?yàn)樘炀€#4為靠近前述LTE天線的饋入結(jié)構(gòu)，故天線#4的邊界條件與其他3天線有所差別，但主瓣3-dB波束寬內(nèi)的輻射行為，4個(gè)天線仍為接近。而圖24則為天線#1至天線#4在57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz的仿真3D實(shí)際增益輻射方向圖，以有更直觀的了解。

圖25為當(dāng)天線#1–天線#3此三性能相近的天線組成接收線形天線陣列（receiving linear antenna array）而同時(shí)進(jìn)行等幅等相饋入時(shí)的仿真天線效率與峰值實(shí)際增益，而帶內(nèi)的天線效率高于–2.99 dB，而最高的天線效率值為–1.58 dB；而帶內(nèi)的峰值實(shí)際增益則高于7.10 dBi，最高的峰值實(shí)際增益值為10.27 dBi。圖26為此線形陣列于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三頻點(diǎn)在φ= 90°及θ= 90°兩切面上2D的仿真實(shí)際增益方向圖；而圖27則為此陣列在57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz的仿真3D實(shí)際增益方向圖。

圖28為L(zhǎng)TE低與高頻天線的|S_nn|及天線總效率，當(dāng)|S_nn| ≤ –6dB時(shí)，覆蓋帶寬為877 MHz–962 MHz及2273 MHz–2753MHz，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(jìn)行不同低頻段（如：LTE Band 17、Band 20，或Band 5等）的覆蓋，則可加入電調(diào)（tunable）器件。而在目前LTE 低頻（Band 8）和高頻（Band 40與Band 41）帶內(nèi)最低的天線效率分別為–3.83 dB與–1.73 dB，故可良好地進(jìn)行無線通信。此外，4個(gè)毫米波喇叭天線與LTE天線的隔離度高于24.86 dB。

最后，此文章于結(jié)論部分前瞻性地提出：“此設(shè)計(jì)可與先前發(fā)表的5G（第五代移動(dòng)通信）毫米波AiA ^[5]或AiAiP ^[2]方案再進(jìn)一步進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，即把LTE天線、5G毫米波天線陣列，及60-GHz毫米波天線三者集成于一體的三合一天線設(shè)計(jì)，以在可兼容手機(jī)金屬框及全面屏的產(chǎn)品特點(diǎn)且達(dá)到良好的用戶無線通訊與操控互動(dòng)體驗(yàn)下，到達(dá)更緊湊與更有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。”

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