手机毫米波天线设计再突破:基于AiAiP的创新手机天线设计,兼容全面屏、60-GHz毫米波,与LTE天线!

2020-04-21 来源:微波射频网作者:MWRF 字号:

毫米波科技于手机上的应用除了熟知的5G毫米波外,另一潜在的新兴应用便是60-GHz毫米波的运动(如:手势或头部动作)识别雷达。而显示屏是手机极为重要且显性的关键特点(feature),随着2017年而起的全面屏风潮,对现今主流手机而言,大屏或高屏占比的设计,早已成为标准的基本配置。然而,对于用户多数的手机无线操控运动,尤其是手势或头部动作,往往侦测的方向是需朝向显示屏前方,而此隐含着雷达天线的辐射方向图应是出屏面而朝用户的方向。而目前的主流设计为在显示屏上开设无金属遮挡的天线窗口(如:刘海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设计以可在非屏区下装设60-GHz毫米波的AiP模块);如此,雷达波束方可有较佳的辐射出屏面而朝向用户,以有助用户的无线操控体验。然而,此设计常会影响甚而阻碍手机高屏占比或是全面屏之设计,而显示屏的观感与体验却又如前所述往往是手机重中之重。故,如何于手机上兼容全面屏与60-GHz毫米波运动识别雷达便成为手机天线研究与设计的新热点课题。

近日,一篇去年由vivo移动通信公司天线预研团队投稿基于AiAiP [1][3]的手机毫米波天线创新设计以可兼容手机全面屏与60-GHz毫米波天线的研究文章[4]于今年的EuCAP(欧洲天线与传播会议)线上刊出,此创新设计不但有助于未来手机全面屏与60-GHz毫米波天线及LTE天线三者兼容设计的新思路拓展,且此设计亦纳入了手机的屏幕玻璃与玻璃粘胶对毫米波天线的覆盖,故更具实际的设计指导功用。

文章作者表示:“此研究的主要框架与思路起源于2018年下半年,于2019年投稿文章前已进行相关专利申请,而此设计理念秉承了先前同样地由此天线预研团队所提出的AiA [5][6]及AiAiP [1][3]思维,即把原先对天线设计为不利或制约因素的金属边框,转化为对天线设计有利而助益的天线载体,以可突破原先的设计限制,并兼容全面屏设计,而达到有效辐射的目的及更有竞争力的产品。因基于金属边框设计的毫米波天线的辐射方向要求需出屏面而朝向用户,但受限于有限的金属边框厚度及有限的机内堆叠空间,一般形式的天线设计方案[7][10]往往较难同时满足产品与辐射的需求,故此处方案为于金属边框上设计嵌入式(embedded)的H面扇形喇叭天线(H-plane sectoral horn antenna),以良好地复用狭窄的金属边框作为喇叭天线的边界金属(因H面的喇叭天线是平行沿着(而非正交于)金属边框进行长边开口,故无需增加金属边框的厚度,即不影响全面屏的可视区(active area),即A.A.区,的占比)并可得到所需的出屏面而朝用户的辐射方向图,且此60-GHz毫米波天线也进一步与金属边框的LTE天线进行嵌入式的集成设计,故此两类天线可共享金属结构而臻至更为紧凑且克服金属屏蔽的设计;此外,若整机条件允许,此设计亦可进行多处布局放置,以达用户更优的无线操控体验。于此抛砖引玉,望各位老师、学者专家,与朋友先进,惠予匡斧指导。”

下文主要为节录选取自前述发表的文章(略除细部尺寸与参数),以进行相关设计思路的分享。此设计与仿真为基于电磁仿真软件Dassault System Simulia CST 2018进行, 而如下图1所示,此手机外观为金属边框及正反两面皆为100%玻璃覆盖(而正面与背面外观皆相同)且为典型实际尺寸的模型。图中黄色部分为金属,蓝色部分为屏幕玻璃,而棕色部分为介电材质的包胶。而图2为当屏幕玻璃去除后的,手机内部正视图,由图2中可看出4个60-GHz毫米波天线(其中1个为发射天线,3个为接收天线)内嵌集成于金属边框中,且此金属边框同时也作为LTE低与高频的天线,屏幕的可视区(即A.A.区)对于手机整个正面的占比高于91.7%。而图3则为去除掉后盖玻璃的内部视图,在顶部与底部金属框各有两个T形开缝(外窄内宽),以利LTE天线的设计。而图1–3中的尺寸单位皆为毫米(mm)。

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图4为对单一H-plane sectoral horn antenna设计时的倾斜背视布局图,其为内嵌于图中设为半透明的中段金属框内(此金属框同时亦为LTE低与高频天线),而左右两端的金属框,则可分别作为LTE中频与non-cellular 天线(如:GNSS或WiFi天线)。而图5则是此内嵌式H面的扇形喇叭天线的透视与放大图,灰色喇叭天线的内为介质填胶,粉色为沿着金属框与玻璃间的粘胶(adhesive tape)而图6显示了喇叭天线的馈入顶针及其位置。此外,因形成喇叭天线边界金属的自我屏蔽效果,故此设计天线对金属边框内侧的整机系统堆叠与布局可较不敏感,故可有较为稳定的天线性能,以可增加系统堆叠与布局设计的灵活度。

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图7为基于图4喇叭天线的x方向中心线上的y–z面堆叠图,可知此设计考虑了毫米波天线附近环境中多种手机堆叠的相关实务因子,如屏幕玻璃、玻璃粘胶、显示屏体、主板,及T形断缝内与系统内部的填胶等。且基于AiAiP的设计,作为低与高频LTE天线的金属外框内侧也集成了源自AiP等[11][15]的package作为馈入部(feeding part),以减少毫米波的馈入路损;而辐射部(radiating part)则是基于AiA的集成式内嵌设计;故知AiAiP = AiA(辐射部)+ AiP的package(馈入部)。而图8则为LTE的天线设计,因全面屏对天线净空区(keep-out area)的挤压,为达到较佳的天线性能,此设计使用天线支架(antenna carrier),将LTE天线的一部分上抬离地[16]

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图9为基于图4–图6的单个喇叭天线作为建构单元(building block)进行4个等距且相同的内嵌式喇叭天线布局透视图,P1’–P4’分别对应到4个喇叭天线的馈入端口,图10则为加上封装IC (如:RFIC与PMIC)载板及LTE天线支架的内侧视图,而IC载板上的P1–P4(此视角时,P4位置被LTE天线支架遮挡)分别是对应4个射频端口(来自4条RFIC所扇出的traces),此4个射频端口与前述金属边框上的4个喇叭天线的馈入端口P1’–P4’进行相对应连接而达射频能量的传送。而图11则为加上屏蔽罩与连接器的内侧视图(LTE天线支架此时隐藏以利阅图)。而此整体mockup的爆炸图如图12所示。
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图13为图4单个喇叭天线在有及无玻璃与玻璃黏胶时两场景的仿真|Snn|性能对比图,可看出玻璃与玻璃粘胶对天线端口的反射性能有显著影响。当然,真实的手机设计是属有玻璃与玻璃粘胶之场景。而对于真实际场景(带有玻璃与粘胶)下的带宽(|Snn| ≤–6 dB)为56.84 GHz–65.18 GHz,故可覆盖常用的60-GHz运动识别频段(57.0 GHz–64.0 GHz)。图14则为图4单喇叭天线在有与无玻璃及玻璃黏胶两场景下的仿真天线总效率与仿真峰值实际增益(realized gain)的性能对比图,对于真实际场景(即带有玻璃与粘胶)而言,整个带内的天线效率高于–2.90 dB,而最高的天线效率值为–1.59 dB;而带内的峰值实际增益则高于3.0 dBi,最高的峰值实际增益值为5.61 dB。

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图15为图4中单个喇叭天线(隐藏其中一半的喇叭天线结构)在有玻璃及玻璃黏胶时在φ= 90° 切面于57.0 GHz,60.0 GHz,与64.0 GHz三个频点(低、中,高频点)的电场分布图,可知随着频率增高,电场反向行为随之增加。图16则为图4中单个喇叭天线在有与无玻璃及玻璃黏胶两场景下于57.0 GHz,60.0 GHz,与64.0 GHz三个频点在φ= 90° 及θ= 90° 两切面上2D平行极化(co-pol.)与交叉极化(x-pol.)的仿真实际增益方向图(realized gain patterns)。而图17为单喇叭天线在有玻璃与黏胶覆盖及图18为单喇叭天线在无玻璃与黏胶覆盖此两场景下,于相同三频点且同尺度(scale)的仿真3D实际增益辐射方向图。由图16–图18显示,在有玻璃及玻璃黏胶的场景下,随着频率增加,辐射方向图愈分散;但在无玻璃及玻璃黏胶的场景下,辐射方向图的形状趋势并未随着频率增加而分散,故玻璃及玻璃黏胶的覆盖对天线的性能有显著的影响。

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图19为图9中4个喇叭天线(为真实际场景下,即带有玻璃与玻璃粘胶)及图4中单个喇叭天线的仿真|Snn|性能对比图,可知五个天线端口的反射性能基本一致,而|Snn| ≤–6 dB的带宽为56.86 GHz–65.16 GHz,故可覆盖所需的60-GHz频段。而图20为此4个喇叭天线间的隔离度,而带内最差的隔离度高于27.57 dB。而图21与图22分别为在真实场景下(即有玻璃与粘胶覆盖)4天线喇叭天线与单个喇叭天线的天线效率与峰值实际增益的仿真对比图。于整个带内的4个喇叭天线的天线效率皆高于–3.08 dB,而最高的天线效率值为–1.59 dB;而带内的峰值实际增益则高于3.29 dBi,最高的峰值实际增益值为5.67 dBi。

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下图23为上述4个喇叭天线于57.0 GHz,60.0 GHz,与64.0 GHz三个频点在φ= 90°及θ= 90°两切面上的2D平行极化与交叉极化仿真实际增益方向图。从图中可看出天线#1至天线#3的辐射行为甚为相近,但天线#4的辐射行为与天线#1–#3有所不同,主要是因为天线#4为靠近前述LTE天线的馈入结构,故天线#4的边界条件与其他3天线有所差别,但主瓣3-dB波束宽内的辐射行为,4个天线仍为接近。而图24则为天线#1至天线#4在57.0 GHz,60.0 GHz,与64.0 GHz的仿真3D实际增益辐射方向图,以有更直观的了解。

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图25为当天线#1–天线#3此三性能相近的天线组成接收线形天线阵列(receiving linear antenna array)而同时进行等幅等相馈入时的仿真天线效率与峰值实际增益,而带内的天线效率高于–2.99 dB,而最高的天线效率值为–1.58 dB;而带内的峰值实际增益则高于7.10 dBi,最高的峰值实际增益值为10.27 dBi。图26为此线形阵列于57.0 GHz,60.0 GHz,与64.0 GHz三频点在φ= 90°及θ= 90°两切面上2D的仿真实际增益方向图;而图27则为此阵列在57.0 GHz,60.0 GHz,与64.0 GHz的仿真3D实际增益方向图。

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图28为LTE低与高频天线的|Snn|及天线总效率,当|Snn| ≤ –6dB时,覆盖带宽为877 MHz–962 MHz及2273 MHz–2753MHz,故此LTE天线可涵盖LTE Band 8(880 MHz–960 MHz)、Band 40(2300 MHz–2400 MHz),与Band 41(2496 MHz–2690 MHz),若要进行不同低频段(如:LTE Band 17、Band 20,或Band 5等)的覆盖,则可加入电调(tunable)器件。而在目前LTE 低频(Band 8)和高频(Band 40与Band 41)带内最低的天线效率分别为–3.83 dB与–1.73 dB,故可良好地进行无线通信。此外,4个毫米波喇叭天线与LTE天线的隔离度高于24.86 dB。

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最后,此文章于结论部分前瞻性地提出:“此设计可与先前发表的5G(第五代移动通信)毫米波AiA [5]或AiAiP [2]方案再进一步进行整合设计,即把LTE天线、5G毫米波天线阵列,及60-GHz毫米波天线三者集成于一体的三合一天线设计,以在可兼容手机金属框及全面屏的产品特点且达到良好的用户无线通讯与操控互动体验下,到达更紧凑与更有竞争力的产品设计。”

参考文献:

[1] H.-C. Huang, “Overview of 5G mm-Wave Antenna Design Solutions in Cellular Phones: AiP, AiA, and AiAiP,”IEEE Antennas Propag. Symp. (AP-S), Atlanta, GA., USA., Jul. 2019, pp. 1071–1072.
[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, pp. 415–418.
[3] “5G手机天线设计再升华:基于AiA设计,vivo再创新发布双频双极化5G毫米波与LTE天线整合封装(AiAiP)设计”,微波射频网(www.mwrf.net),2019年3月8日。
[4] H.-C. Huang, H. Zha, and Y. Wang, “Embedded 60-GHz mm-Wave Antennas in Non-mmWave Antennas Integrating a Package (AiAiP) for Motion Recognition in a Full-Screen Metal-Framed Cell Phone,” Eur. Conf. Antennas Propag., Mar. 2020 (accepted).
[5] 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) for a 5G Phone with a Metal Frame,” Int. Workshop Antenna Techno., Miami, FL., USA., Mar. 2019, pp. 125–128.
[6]“5G手机天线设计新里程:突破金属外观限制,vivo惊艳领跑发布双频双极化5G毫米波与LTE整合天线(AiA)设计”,微波射频网(www.mwrf.net),2019年2月1日。
[7] I. Nasr, R. Jungmaire, A. Baheti, D. Noppeney, J. S. Bal, M. Wojnowski, E. Karagozler, H. Raja, J. Lien, I. Poupyrev,  and S. Trotta, “A highly integrated 60 GHz 6-channel tranceiver with antenna in package for smart sensing and shortrange communications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 9, pp. 2066– 2076, Sep. 2016.
[8] K. Yao, S. Lan, H. Tang, Z. He, and C. Yang, “A 24GHz micropatch antenna array for human hand gestures detection,”IEEEUSNC-URSI, Boston, MA., U.S.A., Jul. 2018, pp. 95–96.
[9] S.-T. Huang, and C.-H. Tseng, “Hand-gesture sensing Doppler Radar with metamaterial-based leaky-wave antennas,”IEEE MTT-S Int. Conf. Microw. Intelligent Mobility, Nagoya, Japan, Mar. 2017, pp. 49–52.
[10] Y. Wang, and A. E. Fathy, “Micro-Doppler signatures for intelligent human gait recognition using a UWB impulse radar,” IEEE Int. Symp. Antennas Propag. (AP-S), Spokane, WA., U.S.A., Jul. 2011, pp. 2103–2106.
[11] 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.
[12] 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.
[13] 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.
[14] 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.
[15] 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.
[16] 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.
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