vivo高級(jí)天線總監(jiān)/ 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(shè)計(jì)，AiP方案因其RFIC與毫米波天線陣列相距較近，有低路損的優(yōu)點(diǎn)，故許多專家和學(xué)者對(duì)AiP進(jìn)行廣泛而深入的良好相關(guān)研究與設(shè)計(jì) [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(yīng)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(chǎn)品的側(cè)立面與背蓋面）進(jìn)行設(shè)置。然而，若手機(jī)外觀為金屬設(shè)計(jì)，如金屬框或金屬殼，則常需在此金屬外觀上進(jìn)行足夠尺寸的開(kāi)口與讓位以置入AiP模塊方案，而這常會(huì)較大程度低降低產(chǎn)品外觀金屬設(shè)計(jì)的完整性與競(jìng)爭(zhēng)力；此外，因產(chǎn)品邊緣往往為圓弧角設(shè)計(jì)，故一般的AiP模塊若側(cè)立置放時(shí)對(duì)產(chǎn)品邊緣收弧較難共形，而需傾斜放置，進(jìn)而造成排擠與增大產(chǎn)品的內(nèi)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(shè)計(jì)也被提出 [7]–[8]，且為了更好的支持現(xiàn)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(fā)表了與金屬外形整合的雙頻毫米波天線設(shè)計(jì) [9]；而在更好地支持產(chǎn)品金屬外觀設(shè)計(jì)、復(fù)用天線輻射體，以進(jìn)一步減少所需的系統(tǒng)容納空間，及達(dá)到更好的5G毫米波無(wú)線通信體驗(yàn)的考量下，vivo在此進(jìn)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(shè)計(jì)（AiA）。AiA為vivo去年（2018年）在IEEE iWAT受邀報(bào)告上提出并賦名。vivo天線預(yù)研團(tuán)隊(duì)拋轉(zhuǎn)引玉，冀盼各位老師、專家學(xué)者、先進(jìn)同好，不吝指導(dǎo)與斧正為是。
下文主要為選取節(jié)錄自vivo前述投稿文章（略除細(xì)部尺寸與參數(shù)），以進(jìn)行AiA相關(guān)設(shè)計(jì)概念的分享。此AiA設(shè)計(jì)為基于下圖1中所示的一金屬邊框玻璃背蓋的手機(jī)模型（其正面與背面外觀相同）透過(guò)電磁仿真軟件CST 2018進(jìn)行。圖中黃色部分為金屬，藍(lán)色部分為屏幕玻璃，而棕色部分為介電材質(zhì)的包膠。圖1中可看出一個(gè)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(shí)也作為L(zhǎng)TE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(dāng)屏幕玻璃去除后，顯示器模組與金屬邊框內(nèi)側(cè)距離為2.5 mm，即屏幕可視區(qū)的屏占比高于91.5%。圖3則為去除掉后蓋的內(nèi)部側(cè)視圖，并顯示AiA毫米波陣列中間天線單元（單元三）的位置圖，而LTE中頻天線與非蜂窩天線（如：GNSS，與WiFi和藍(lán)牙等）（但不限）則可設(shè)計(jì)于AiA兩側(cè)的金屬框上。
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(shè)計(jì)為雙饋的stacked patch antenna，以能達(dá)到雙頻雙極化。圖5則是基于圖4的天線單元三作為建構(gòu)單元（building block）而設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。而圖6中的P1–P10則是5個(gè)天線單元的饋入端口，每?jī)蓚€(gè)端口成對(duì)而饋入一個(gè)天線單元，奇數(shù)端口激勵(lì)垂直極化（V-pol.），而偶數(shù)端口激勵(lì)水平極化（H-pol.）。此外，圖6亦為L(zhǎng)TE的天線結(jié)構(gòu) [10]，其中紅色符號(hào)為L(zhǎng)TE的饋入端口，藍(lán)色符號(hào)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(shè)計(jì)。
圖7與圖8為單一天線單元三的兩種端口負(fù)載情形的S參數(shù)、天線總效率，與峰值實(shí)際增益（realized gain）的性能比較，可看出在3GPP 5G 毫米波n261與n260帶內(nèi)，此兩種端口負(fù)載情形的性能趨勢(shì)相近，而端口斷開(kāi)（open）[11] 的n260峰值實(shí)際增益稍高，故此設(shè)計(jì)選擇端口加載（loaded）的情形進(jìn)行。而以圖7中的|Snn| ≤ –10dB而言，此設(shè)計(jì)的天線單元于垂直極化工作時(shí)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(shí)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(xiàn)今5G毫米波較為成熟的n261與n260的兩個(gè)熱點(diǎn)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(shí)際增益。對(duì)于代表n261與n260頻段的兩頻點(diǎn)28.0 GHz及39.0 GHz而言，于垂直極化工作時(shí)兩頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天線總效率分別為–0.94dB及–0.78dB，而水平極化工作時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)垂直極化端口與水平極化端口激勵(lì)時(shí)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(shí)際增益方向圖（gain patterns）。
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(shí)28.0 GHz與39.0 GHz垂直與水平極化激勵(lì)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。
下圖15與圖16分別為此天線陣列垂直與水平極化激勵(lì)時(shí)在28.0 GHz與39.0 GHz的3D波束掃描實(shí)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(shí)際增益場(chǎng)型圖。此設(shè)計(jì)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(xiàn)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(shí)際增益值。而在theta = 90°平面上，對(duì)應(yīng)28.0 GHz與39.0 GHz的垂直極化掃描波束，最大的峰值實(shí)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(shí)際增益分別為11.35 dBi與12.18dBi。
下圖19為L(zhǎng)TE低高頻天線的|Snn|與天線總效率，當(dāng)|Snn| ≤ –6dB時(shí)，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(jìn)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(diào)（tunable）器件。而在LTE Band 8、Band 40，與Band 41帶內(nèi)（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(jìn)行無(wú)線通信。
最后，黃奐衢博士表示：“此AiA設(shè)計(jì)，除了可更好地維護(hù)金屬外觀的完整度，也可支撐較佳的產(chǎn)品外形的共形性，并減少系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)此兩種天線所需的容納空間，且此種天線單元設(shè)計(jì)，因單元底部金屬屏蔽的效果，故毫米波天線陣列對(duì)其后方的環(huán)境，如：相關(guān)器件、背蓋材質(zhì)與厚度，及饋入結(jié)構(gòu)等，可較不敏感故而有較穩(wěn)定的天線性能。此外，因當(dāng)AiP為系統(tǒng)內(nèi)置擺放時(shí)，則其上或其前的背蓋（即天線罩）材質(zhì)、厚度，及其與AiP的間距，往往皆會(huì)對(duì)AiP的性能造成不等程度的影響或劣化[12]，且內(nèi)置AiP鄰近的系統(tǒng)內(nèi)部電氣與結(jié)構(gòu)環(huán)境，也有影響其天線性能的可能。但此AiA設(shè)計(jì)，因非內(nèi)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(jī)制（與對(duì)應(yīng)的損耗）亦為AiA設(shè)計(jì)與性能的關(guān)鍵，vivo也已進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)與分析（如下圖20所示為基于（但不限）FPC方式的饋入），及進(jìn)行IEEE投稿并陸續(xù)獲錄取，將在之后與大家分享，謝謝。”
