5G手機天線設計再升華:基于AiA設計,vivo再創新發布雙頻雙極化5G毫米波與LTE天線整合封裝(AiAiP)設計!

2019-03-08 來源:微波射頻網作者:vivo天線團隊 我要評論(0) 字號:

今年二月一日,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,即AiA(mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas)[1],驚艷地為5G手機天線設計寫下了的新篇章。如vivo高級天線技術總監/ 首席天線專家黃奐衢博士在AiA方案發布時提出,對于AiA設計,其饋入部的設計與對應的路損是影響AiA輻射性能的關鍵之一。而今日,vivo天線預研團隊正式對外發布升華AiA設計的AiAiP(mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas integrating a package)設計方案[2],即雙頻雙極化5G毫米波與LTE天線整合封裝設計。而此AiAiP設計也是vivo天線預研團隊去年繼完成AiA設計后,持續進行的升華設計,同樣地,其可突破金屬外觀限制,且可實現增強AiA的總體輻射性能。vivo團隊已對AiAiP設計進行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,現今毫米波天線主流成熟的方案為AiP(antenna-in-package)的模塊化設計,AiP方案主要因其RFIC與毫米波天線陣列相距較近,而有低路損的優點,故AiP方案已被眾多學者專家深入地進行研究、設計[3]–[7],與產品商用。然而,AiP方案較受制于產品的金屬外觀(如金屬框或金屬殼等)設計,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品外觀金屬設計的完整性與競爭力;故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在今年二月初拋轉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)的整合設計(AiA)。而基于AiA的輻射部設計架構,vivo天線預研團隊去年持續進行多種(如基于FPC [8]與RF cables [9])饋入部的研究與設計,為了進一步強化AiA的輻射性能,故vivo天線預研團隊提出了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計方案。誠盼各位老師、專家學者,與先進同好,匡輔指導為幸。”

本文以下主要為選取節錄自vivo前述投稿AiAiP的文章(略除細部尺寸與參數),以進行相關設計概念的分享。此AiAiP設計同樣基于AiA設計時的手機模型,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的包膠。圖1中顯示前述AiAiP的設計方案,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,故屏幕可視區的屏占比高于91.5%。而圖3則為去除掉后蓋的內部側視圖,并呈現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)如前所述可設計于AiAiP兩側的金屬框上。

<圖1>

<圖2>

<圖3>

同之前AiA設計,圖4則為圖3中天線單元三(即陣列的中央單元)的放大圖,可看出天線單元設計為雙饋的stacked patch antenna,以能達到雙頻雙極化;此外,經由適當的RFIC饋入相位設定,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單元(building block)而設計的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構。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,奇數編號端口激勵垂直極化(V-pol.),而偶數編號端口激勵水平極化(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天線主輻射部亦為此金屬邊框,故形成了突破金屬外觀的AiAiP輻射部的設計。

<圖4>

<圖5>

<圖6>

而在AiAiP的饋入部設計上,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)內的IC(如RFIC與/ 或PMIC)、(2) IC屏蔽罩,與(3)附有連接座(設為金屬,灰色)的IC載板(上下層皆鋪銅,中間為介質板,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、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 by 50 Ω)的情形進行。而以圖10中的|Snn|≤–10 dB而言,此設計的天線單元于垂直極化工作時可覆蓋現今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。此些數值與前文AiA基于理想饋入的性能數值甚為接近(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|Snn|與|Smn|,同理,以|Snn|≤–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,若經由適當的RFIC饋入相位設定,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(各圖對應相同scale)

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

<圖20>

<圖21>

下圖22為LTE低高頻天線的|Snn|與天線總效率,當|Snn|≤–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(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:–3.36 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設計,除與可AiA相同地維護金屬外觀的完整度,更可減少AiA設計的饋入路損,以達到更優的總體輻射性能。AiP有低路損的優點,故于現今的產品商用上,AiP是毫米波天線設計的成熟主流方案,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用,但AiA的挑戰主要來自較AiP為高的饋入路損。然而,AiP面對的物理限制往往比AiA面臨的工程挑戰更不易突破,因AiA的路損有機會隨著材料科技應用與制程工藝技術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計方案,經由相互地取長補短,可進而融合出一道創新的設計方向,而這或許可為金屬外觀手機的毫米波天線設計進一步帶來新的契機。同樣地,AiAiP方案,對相關實現制程工藝也有新的要求。而AiP、AiA, 與AiAiP的主要技術維度大方向上的相對綜合比較如下表1所示。此外,值得關注的是,散熱設計(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) > #2 (可) > #3 (差)
毫米波天線方案
AiPAiA*AiAiP
與金屬外觀兼容性#3#1#1
具挑戰外觀共形性#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
因內部環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:

[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
MIMO beamforming systems,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 12, pp. 6646–6655, Dec. 2017.
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