5G手机天线设计的质变：毫米波天线阵列

美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）教授也是前IEEE APS主席Yahya Rahmat-Samii曾表示：“梵高用一支支的彩笔与一张张的画布，绘出一幅幅动人心扉的旷世杰作；而天线设计师则是用一根根的天线与一方方的天空，画出无形但却又绚丽的辐射方向图，所以天线设计师就是艺术家！”

vivo首席天线专家黄奂衢博士于11月16日在北京举行的2017未来信息通信技术国际研讨会上，作为唯一受邀的手机公司硬件设计代表，黄博士首度公开发表了主题为《手机毫米波设计概览》的演讲，而黄博士即以上述文句为参会嘉宾做出别开生面的开场与引言，因黄博士表示，若只谈天线，而不谈辐射波束与电磁传播，基本上是不完整的论述，而这就是为何IEEE （Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师学会）将天线（antenna）与传播（propagation）归属于同一学门（society），此即APS的精神与精髓，尤其是对毫米波天线阵列的分析与讨论更应如此。

vivo首席天线专家 黄奂衢 博士 领跑首谈《手机毫米波设计概览》

毫米波天线阵列是手机天线设计质的跳跃

演讲中，黄奂衢博士回顾与展望从1G（第一代移动通信）到5G（第五代移动通信）下手机天线设计的演进，黄博士认为从1G乃至于5G的sub-6GHz（低于6 GHz）频段，天线设计的主要挑战基本上是来自于“量的增长”，如无线通信频段数量的增长及天线数量上的增长。然而，到了5G毫米波频段，手机天线设计从单天线且波束固定的天线设计，转变为天线阵列（多天线单元）的设计，同时还是可波束赋形（beamforming）的阵列设计，故黄博士认为，5G毫米波的天线阵列设计对手机天线设计的技术与艺术而言，着实可视为是“质的跳跃”。此外，黄博士也分享，在1G到3G时代的手机天线设计，基本可由天线设计师独力完成，但到了4G LTE时代，由于频带的增多与频率下探，在受限的天线有效空间下，往往需借助电调谐器件，以达更有效率的辐射，而此时软件便对手机天线设计有所涉入与贡献，但此时软件工作仍属于支持天线设计师的辅助角色，然而到了5G毫米波的天线阵列设计，软件的角色已经不再只是按照天线设计师的要求进行协助，而是转变为可以直接影响波束赋形阵列性能良窳的关键角色。故黄博士表示1G到3G，天线设计师对手机天线设计是主宰的角色，而到4G是主导的角色，到了5G毫米波，则转变为与软件工程师协作的角色，而这也是由另一视角与观点再次说明5G手机毫米波天线阵列设计本质上的转变。

5G手机毫米波天线阵列的主要性能指标

目前虽然5G手机整机主要且直接的毫米波天线性能指标尚未明确及订出，但一般可分为两个维度，一个是EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，有效无向辐射功率）的最大值与最小值，因为若EIRP太大，会造成对其他系统的EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰）；而若EIRP太小，则无法保证有效的无线通信品质，故毫米波天线阵列的EIRP需规范在一合理的最大与最小值区间之内。

另一维度是最低的波束空间覆度，因越广的空间覆盖越有助于用户的无线体验，但越广的空间覆盖，则往往需要牺牲手机外形设计的极致性与吸引力，故在毫米波束广覆盖度与手机整体竞争力两者间需做适当的权衡，而这其实也是目前3GPP RAN4 （Radio Access Network）5G毫米波讨论的重点热区。

手机毫米波天线阵列的主要设计要点

此外，黄奂衢博士表示，虽毫米波波束赋性天线阵列有不同的设计架构与方向，但现今手机毫米波天线阵列较为主流与合适的可能方向一般是基于相控阵（phased antenna array）的方式，而相控阵毫米波天线阵列实现的方式主要可分为三种，即：AoB （Antenna on Board，即天线阵列位于系统主板上)、AiP （Antenna in Package，即天线阵列位于芯片的封装内)，与AiM （Antenna in Module，即天线阵列与RFIC形成一模组)，虽此三者各有优势之处，但目前更多的是以AiM的方式实现，而AiM毫米波波束赋性天线阵列的设计重点主要有： 天线阵列（包含feeding network，即馈入网路）的设计与优化能力、板材（substrate）与涂料（coating）的选择与验证能力、电气系统与结构环境的设计与优化能力、模组化制程的设计与实现能力，与软件算法的设计与优化能力等。而黄博士也分享手机毫米波的射频前端主要电路框图，黄博士表示，射频前端器件（如：功率放大器，PA与低噪声放大器，LNA，即相移器，PS）皆会整合入射频芯片（RFIC）内，且每一路（因有多路以连接多个天线单元）的射频通路皆有各自的PA，LNA，与PS，而毫米波天线阵列与射频芯片间将取消传统的射频座，即不会有传统的板端射频调试与传导测试，相关射频参数验证将以空口（OTA, Over-the-Air）方式进行。

手机毫米波天线阵列设计

在分享毫米波射频前端电路的架构后，黄博士也对手机毫米波天线阵列设计进行深入详尽的剖析，黄博士表示，AiM的毫米波天线阵列为了更好的波束赋性以达到前述的更广的空间覆盖，一般会以辐射波束互补（如broadside radiation，即宽边辐射，与end-fire radiation，即端射）的天线种类（如patch antenna，即贴片天线，与quasi-Yagi antenna，即准八木天线）进行搭配设计，并基于天线馈点的适当设计，以达到双极化（垂直与水平极化）的覆盖，以增加无线通信连接能力，且将RFIC倒置焊接，以让天线馈入走线尽量缩短，以减少高频传输带来的高路损，而使得毫米波天线阵列有更高的辐射增益，达到较好的EIRP与覆盖强度。此外，黄博士进一步将AiM的毫米波天线阵列模组，整合入vivo Xplay 6手机内，在整机系统上进行设计、优化、验证、量测，与用户体验，来体现整机而非模组单体的毫米波无线性能。

虽单一毫米波天线阵列可进行前述的波束赋性以达到较好的空间覆盖，然而若用户手握或金属大面积遮挡住此毫米波天线阵列，仍会造成毫米波无线性能明显劣化，故往往需要设置多个毫米波天线阵列，如多个AiM模组，以避免前述问题，但多个模组间的切换若是依赖传统无线通信的下行侦测，则耗时会较长，隐含着用户在由性能较差的毫米波天线阵列切换到较佳的毫米波天线阵列前，可能会漏失大量数据，而造成用户无线体验的显著下降，基于此，vivo团队提出以天线模组自身进行对环境侦测以决定是否进行毫米波天线阵列模组间切换，以缩短等待模组切换指示所需时间而致更好用户无线体验的新设计想法，并进行相关专利的布局。

最后，黄博士做出两项关键的提点作为此次演讲的结语，即除了对毫米波天线阵列的单体设计，尚需对天线阵列上方的覆盖结构进行材料的选取、厚度的优化，与间距的设计，亦即也需要对“天线罩（antenna radome）“进行相较以往移动通信世代更为细腻的处理与设计以达到更佳的系统辐射性能。另一项则是在进行天线阵列的电气性能设计之外，亦需同步考虑与进行散热的设计，即thermal design，以免毫米波RFIC因散热问题，造成性能劣化，而使整体辐射能力的下降，影响用户的无线体验。

5G智慧手机相比传统的智能手机，在整体概念上是一种质的进化，而作为业界领先的手机厂商，vivo在全球有一亿多的手机活跃用户，且拥有完整而坚实的自研自产能力，据行业观察与分析，近年来vivo对5G的研发投入更是业界前列，充分展现了vivo对即将到来5G时代的雄心与蓝图。

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