基于AiAiP的創(chuàng)新手機天線設(shè)計

毫米波科技于手機上的應用除了熟知的5G毫米波外，另一潛在的新興應用便是60-GHz毫米波的運動（如：手勢或頭部動作）識別雷達。而顯示屏是手機極為重要且顯性的關(guān)鍵特點（feature），隨著2017年而起的全面屏風潮，對現(xiàn)今主流手機而言，大屏或高屏占比的設(shè)計，早已成為標準的基本配置。然而，對于用戶多數(shù)的手機無線操控運動，尤其是手勢或頭部動作，往往偵測的方向是需朝向顯示屏前方，而此隱含著雷達天線的輻射方向圖應是出屏面而朝用戶的方向。而目前的主流設(shè)計為在顯示屏上開設(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)計以可在非屏區(qū)下裝設(shè)60-GHz毫米波的AiP模塊）；如此，雷達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。然而，此設(shè)計常會影響甚而阻礙手機高屏占比或是全面屏之設(shè)計，而顯示屏的觀感與體驗卻又如前所述往往是手機重中之重。故，如何于手機上兼容全面屏與60-GHz毫米波運動識別雷達便成為手機天線研究與設(shè)計的新熱點課題。

近日，一篇去年由vivo移動通信公司天線預研團隊投稿基于AiAiP[1]–[3]的手機毫米波天線創(chuàng)新設(shè)計以可兼容手機全面屏與60-GHz毫米波天線的研究文章[4]于今年的EuCAP（歐洲天線與傳播會議）線上刊出，此創(chuàng)新設(shè)計不但有助于未來手機全面屏與60-GHz毫米波天線及LTE天線三者兼容設(shè)計的新思路拓展，且此設(shè)計亦納入了手機的屏幕玻璃與玻璃粘膠對毫米波天線的覆蓋，故更具實際的設(shè)計指導功用。

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年投稿文章前已進行相關(guān)專利申請，而此設(shè)計理念秉承了先前同樣地由此天線預研團隊所提出的AiA [5]–[6]及AiAiP[1]–[3]思維，即把原先對天線設(shè)計為不利或制約因素的金屬邊框，轉(zhuǎn)化為對天線設(shè)計有利而助益的天線載體，以可突破原先的設(shè)計限制，并兼容全面屏設(shè)計，而達到有效輻射的目的及更有競爭力的產(chǎn)品。因基于金屬邊框設(shè)計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內(nèi)堆疊空間，一般形式的天線設(shè)計方案[7]–[10]往往較難同時滿足產(chǎn)品與輻射的需求，故此處方案為于金屬邊框上設(shè)計嵌入式（embedded）的H面扇形喇叭天線（H-plane sectoral horn antenna），以良好地復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）金屬邊框進行長邊開口，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毫米波天線也進一步與金屬邊框的LTE天線進行嵌入式的集成設(shè)計，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；此外，若整機條件允許，此設(shè)計亦可進行多處布局放置，以達用戶更優(yōu)的無線操控體驗。于此拋磚引玉，望各位老師、學者專家，與朋友先進，惠予匡斧指導?！?/p>

下文主要為節(jié)錄選取自前述發(fā)表的文章（略除細部尺寸與參數(shù)），以進行相關(guān)設(shè)計思路的分享。此設(shè)計與仿真為基于電磁仿真軟件Dassault System Simulia CST 2018進行, 而如下圖1所示，此手機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）且為典型實際尺寸的模型。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。而圖2為當屏幕玻璃去除后的，手機內(nèi)部正視圖，由圖2中可看出4個60-GHz毫米波天線（其中1個為發(fā)射天線，3個為接收天線）內(nèi)嵌集成于金屬邊框中，且此金屬邊框同時也作為LTE低與高頻的天線，屏幕的可視區(qū)（即A.A.區(qū)）對于手機整個正面的占比高于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T形開縫（外窄內(nèi)寬），以利LTE天線的設(shè)計。而圖1–3中的尺寸單位皆為毫米（mm）。

圖4為對單一H-plane sectoral horn antenna設(shè)計時的傾斜背視布局圖，其為內(nèi)嵌于圖中設(shè)為半透明的中段金屬框內(nèi)（此金屬框同時亦為LTE低與高頻天線），而左右兩端的金屬框，則可分別作為LTE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)計天線對金屬邊框內(nèi)側(cè)的整機系統(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)計考慮了毫米波天線附近環(huán)境中多種手機堆疊的相關(guān)實務(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，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；故知AiAiP = AiA（輻射部）+ AiP的package（饋入部）。而圖8則為LTE的天線設(shè)計，因全面屏對天線凈空區(qū)（keep-out area）的擠壓，為達到較佳的天線性能，此設(shè)計使用天線支架（antenna carrier），將LTE天線的一部分上抬離地[16]。

圖9為基于圖4–圖6的單個喇叭天線作為建構(gòu)單元（building block）進行4個等距且相同的內(nèi)嵌式喇叭天線布局透視圖，P1’–P4’分別對應到4個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，P4位置被LTE天線支架遮擋）分別是對應4個射頻端口（來自4條RFIC所扇出的traces），此4個射頻端口與前述金屬邊框上的4個喇叭天線的饋入端口P1’–P4’進行相對應連接而達射頻能量的傳送。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單個喇叭天線在有及無玻璃與玻璃黏膠時兩場景的仿真|Snn|性能對比圖，可看出玻璃與玻璃粘膠對天線端口的反射性能有顯著影響。當然，真實的手機設(shè)計是屬有玻璃與玻璃粘膠之場景。而對于真實際場景（帶有玻璃與粘膠）下的帶寬（|Snn| ≤–6 dB）為56.84 GHz–65.18 GHz，故可覆蓋常用的60-GHz運動識別頻段（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景下的仿真天線總效率與仿真峰值實際增益（realized gain）的性能對比圖，對于真實際場景（即帶有玻璃與粘膠）而言，整個帶內(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)的峰值實際增益則高于3.0 dBi，最高的峰值實際增益值為5.61 dB。

圖15為圖4中單個喇叭天線（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在φ= 90° 切面于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三個頻點（低、中，高頻點）的電場分布圖，可知隨著頻率增高，電場反向行為隨之增加。圖16則為圖4中單個喇叭天線在有與無玻璃及玻璃黏膠兩場景下于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三個頻點在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景下，于相同三頻點且同尺度（scale）的仿真3D實際增益輻射方向圖。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景下，輻射方向圖的形狀趨勢并未隨著頻率增加而分散，故玻璃及玻璃黏膠的覆蓋對天線的性能有顯著的影響。

圖19為圖9中4個喇叭天線（為真實際場景下，即帶有玻璃與玻璃粘膠）及圖4中單個喇叭天線的仿真|Snn|性能對比圖，可知五個天線端口的反射性能基本一致，而|Snn| ≤–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分別為在真實場景下（即有玻璃與粘膠覆蓋）4天線喇叭天線與單個喇叭天線的天線效率與峰值實際增益的仿真對比圖。于整個帶內(nèi)的4個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)的峰值實際增益則高于3.29 dBi，最高的峰值實際增益值為5.67 dBi。

下圖23為上述4個喇叭天線于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三個頻點在φ= 90°及θ= 90°兩切面上的2D平行極化與交叉極化仿真實際增益方向圖。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，主要是因為天線#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實際增益輻射方向圖，以有更直觀的了解。

圖25為當天線#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）而同時進行等幅等相饋入時的仿真天線效率與峰值實際增益，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)的峰值實際增益則高于7.10 dBi，最高的峰值實際增益值為10.27 dBi。圖26為此線形陣列于57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz三頻點在φ= 90°及θ= 90°兩切面上2D的仿真實際增益方向圖；而圖27則為此陣列在57.0 GHz，60.0 GHz，與64.0 GHz的仿真3D實際增益方向圖。

圖28為LTE低與高頻天線的|Snn|及天線總效率，當|Snn| ≤ –6dB時，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，故可良好地進行無線通信。此外，4個毫米波喇叭天線與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)計可與先前發(fā)表的5G（第五代移動通信）毫米波AiA [5]或AiAiP[2]方案再進一步進行整合設(shè)計，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，以在可兼容手機金屬框及全面屏的產(chǎn)品特點且達到良好的用戶無線通訊與操控互動體驗下，到達更緊湊與更有競爭力的產(chǎn)品設(shè)計。”