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

2019-02-01 來源:微波射頻網作者:vivo天線團隊 我要評論(0) 字號:

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

圖16

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

參考文獻:
[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).

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