5G對(duì)手機(jī)天線設(shè)計(jì)的技術(shù)與藝術(shù)而言，則可視為是“質(zhì)的跳躍”

Vivo首席天線專家黃奐衢博士于11月16日在北京舉辦的2017未來信息通信技術(shù)國際研討會(huì)上于手機(jī)業(yè)界首度公開題為“手機(jī)毫米波天線陣列設(shè)計(jì)概覽”的演講時(shí)便提出，從1G乃至于5G的sub-6GHz（低于6 GHz）頻段，天線設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)基本上是來自于“量的增長”，如無線通信頻段數(shù)量的增長及天線數(shù)量上的增長。

然而，到了5G毫米波頻段，手機(jī)天線設(shè)計(jì)從單天線且波束固定的天線設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)變?yōu)樘炀€陣列（多天線單元）的設(shè)計(jì)，同時(shí)還是可波束賦形（beamforming）的陣列設(shè)計(jì)。故黃博士認(rèn)為，5G毫米波的天線陣列設(shè)計(jì)對(duì)手機(jī)天線設(shè)計(jì)的技術(shù)與藝術(shù)而言，則可視為是“質(zhì)的跳躍”。

vivo首席天線專家黃奐衢 博士 領(lǐng)跑首談《手機(jī)毫米波天線陣列設(shè)計(jì)概覽》

毫米波天線陣列身負(fù)5G熱點(diǎn)高容量無線通信之重任

在5G的大潮中，除了芯片廠商、運(yùn)營商，與設(shè)備廠商外，終端廠商也扮演著重要的角色。因其整體與用戶更加貼近，故可以為使用場(chǎng)景的技術(shù)預(yù)研，及終端性能的挖掘與優(yōu)化進(jìn)行積累準(zhǔn)備，而5G手機(jī)的天線設(shè)計(jì)便是手機(jī)無線通信性能研究與優(yōu)化極為重要的方向之一。而可見的未來，手機(jī)基本而言依然是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪匾臒o線通信工具之一，而無線通信的品質(zhì)好壞很大程度即取決于天線性能。

何謂天線？它有什么作用？黃奐衢博士解說，以工程上的基本定義而言，天線是一個(gè)過渡元器件，其擔(dān)負(fù)著終端與自由空間端間電磁能量平滑有效率進(jìn)行收發(fā)傳遞的功用，且天線在無線通信鏈上，其是發(fā)射端的最后一級(jí)，但卻又是接收端的第一級(jí)，即其同時(shí)身兼前鋒與后衛(wèi)的角色，也如山海關(guān)一般，是中原出塞的最后一關(guān)，但卻又是塞入中原的第一關(guān)，故若山海關(guān)不振，則中原震蕩，京師危矣，故天線在無線通信鏈路上的關(guān)鍵地位不言而喻。

黃博士也表示，對(duì)于無線通訊設(shè)備來說，天線對(duì)此些設(shè)備起的作用，相當(dāng)于眼睛和耳朵之于人類。性能低下的天線常常造成高掉話率與更短的通訊距離，好比因近視和弱聽造成人類較短的視力距離和較差的聽力品質(zhì)。

回顧這些年天線設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程時(shí)，黃博士表示，在1G到3G世代的手機(jī)天線設(shè)計(jì)，基本可由天線設(shè)計(jì)師獨(dú)力完成，但到了4G LTE時(shí)代，由于頻帶的增多與頻率下探，在受限的天線有效空間下，往往需借助電調(diào)諧器件，以達(dá)更有效率的輻射，而此時(shí)軟件便對(duì)手機(jī)天線設(shè)計(jì)有所涉入與貢獻(xiàn)，但此時(shí)軟件工作仍屬于支持天線設(shè)計(jì)師的輔助角色，到了5G毫米波的天線陣列設(shè)計(jì)，軟件的角色已經(jīng)不再只是按照天線設(shè)計(jì)師的要求進(jìn)行協(xié)助，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢灾苯佑绊懖ㄊx形陣列性能良莠的關(guān)鍵角色。

故黃博士認(rèn)為，1G到3G，天線設(shè)計(jì)師對(duì)手機(jī)天線設(shè)計(jì)是主宰的角色，而到4G是主導(dǎo)的角色，到了5G毫米波，則轉(zhuǎn)變?yōu)榕c軟件工程師協(xié)作的角色，而這也是由另一視角與觀點(diǎn)再次說明5G手機(jī)毫米波天線陣列設(shè)計(jì)本質(zhì)上的轉(zhuǎn)變。

而因毫米波通信的高頻傳輸，故能因其大的帶寬帶來更高的通信系統(tǒng)容量，而使無線傳輸速率進(jìn)一步增長，而支撐5G主要場(chǎng)景之一“熱點(diǎn)高容量”的無線通信指標(biāo)要求，以提升用戶5G的無線體驗(yàn)。而如前述，毫米波天線陣列便是這一高速無線體驗(yàn)的關(guān)鍵支柱。

而目前雖然5G手機(jī)整機(jī)主要且直接的毫米波天線性能指標(biāo)尚未明確及訂出，但黃博士表示一般可分為兩個(gè)維度，一個(gè)是EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，有效無向輻射功率）的最大值與最小值，因?yàn)槿鬍IRP太大，會(huì)造成對(duì)其他系統(tǒng)的EMI（Electromagnetic Interference，電磁干擾）；而若EIRP太小，則無法保證有效的無線通信品質(zhì)，故毫米波天線陣列的EIRP需規(guī)范在一合理的最大與最小值區(qū)間之內(nèi)。

另一維度是最低的波束空間覆度，因越廣的空間覆蓋越有助于用戶的無線體驗(yàn)，但越廣的空間覆蓋，則往往需要犧牲手機(jī)外形設(shè)計(jì)的極致性與吸引力，故在毫米波束廣覆蓋度與手機(jī)整體競(jìng)爭(zhēng)力兩者間需做適當(dāng)?shù)臋?quán)衡，而這其實(shí)也是目前3GPP RAN4 （Radio Access Network）5G毫米波討論的重點(diǎn)熱區(qū)。

此外，黃奐衢博士講述到，雖毫米波波束賦性天線陣列有不同的設(shè)計(jì)架構(gòu)與方向，但現(xiàn)今手機(jī)毫米波天線陣列較為主流與合適的可能方向一般是基于相控陣（phased antenna array）的方式，而相控陣毫米波天線陣列實(shí)現(xiàn)的方式主要可分為三種，即：AoB （Antenna on Board，即天線陣列位于系統(tǒng)主板上)、AiP （Antenna in Package，即天線陣列位于芯片的封裝內(nèi))，與AiM （Antenna in Module，即天線陣列與RFIC形成一模組)。

雖此三者各有優(yōu)勢(shì)之處，但目前更多的是以AiM的方式實(shí)現(xiàn)，而AiM毫米波波束賦性天線陣列的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要有：天線陣列（包含feeding network，即饋入網(wǎng)路）的設(shè)計(jì)與優(yōu)化能力、板材（substrate）與涂料（coating）的選擇與驗(yàn)證能力、電氣系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)環(huán)境的設(shè)計(jì)與優(yōu)化能力、模組化制程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力，與軟件算法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化能力等。而黃博士也分享手機(jī)毫米波的射頻前端主要電路框圖，黃博士表示，射頻前端器件（如：功率放大器，PA與低噪聲放大器，LNA，即相移器，PS）皆會(huì)整合入射頻芯片（RFIC）內(nèi)，且每一路（因有多路以連接多個(gè)天線單元）的射頻通路皆有各自的PA，LNA，與PS，而毫米波天線陣列與射頻芯片間將取消傳統(tǒng)的射頻座，即不會(huì)有傳統(tǒng)的板端射頻調(diào)試與傳導(dǎo)測(cè)試，相關(guān)射頻參數(shù)驗(yàn)證將以空口（OTA, Over-the-Air）方式進(jìn)行。

在分享毫米波射頻前端電路的架構(gòu)后，黃博士也對(duì)手機(jī)毫米波天線陣列設(shè)計(jì)進(jìn)行深入而詳盡的剖析，黃博士表示，AiM的毫米波天線陣列為了更好的波束賦性以達(dá)到前述的更廣的空間覆蓋，一般會(huì)以輻射波束互補(bǔ)（如broadside radiation，即寬邊輻射，與end-fire radiation，即端射）的天線種類（如patch antenna，即貼片天線，與quasi-Yagi antenna，即準(zhǔn)八木天線）進(jìn)行搭配設(shè)計(jì)，并基于天線饋點(diǎn)的適當(dāng)設(shè)計(jì)，以達(dá)到雙極化（垂直與水平極化）的覆蓋，以增加無線通信連接能力，且將RFIC倒置焊接，以讓天線饋入走線盡量縮短，以減少高頻傳輸帶來的高路損，而使得毫米波天線陣列有更高的輻射增益，達(dá)到較好的EIRP與覆蓋強(qiáng)度。