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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)國際研討會上于手機業(yè)界首度公開題為“手機毫米波天線陣列設(shè)計概覽”的演講時便提出，從1G乃至于5G的sub-6GHz（低于6 GHz）頻段，天線設(shè)計的主要挑戰(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，手機天線設(shè)計從單天線且波束固定的天線設(shè)計，轉(zhuǎn)變?yōu)樘炀€陣列（多天線單元）的設(shè)計，同時還是可波束賦形（beamforming）的陣列設(shè)計。故黃博士認為，5G毫米波的天線陣列設(shè)計對手機天線設(shè)計的技術(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《手機毫米波天線陣列設(shè)計概覽》

毫米波天線陣列身負5G熱點高容量無線通信之重任

在5G的大潮中，除了芯片廠商、運營商，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，故可以為使用場景的技術(shù)預(yù)研，及終端性能的挖掘與優(yōu)化進行積累準備，而5G手機的天線設(shè)計便是手機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，天線是一個過渡元器件，其擔負著終端與自由空間端間電磁能量平滑有效率進行收發(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，但卻又是接收端的第一級，即其同時身兼前鋒與后衛(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，對于無線通訊設(shè)備來說，天線對此些設(shè)備起的作用，相當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)計的發(fā)展歷程時，黃博士表示，在1G到3G世代的手機天線設(shè)計，基本可由天線設(shè)計師獨力完成，但到了4G LTE時代，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，以達更有效率的輻射，而此時軟件便對手機天線設(shè)計有所涉入與貢獻，但此時軟件工作仍屬于支持天線設(shè)計師的輔助角色，到了5G毫米波的天線陣列設(shè)計，軟件的角色已經(jīng)不再只是按照天線設(shè)計師的要求進行協(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。

故黃博士認為，1G到3G，天線設(shè)計師對手機天線設(shè)計是主宰的角色，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再次說明5G手機毫米波天線陣列設(shè)計本質(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一步增長，而支撐5G主要場景之一“熱點高容量”的無線通信指標要求，以提升用戶5G的無線體驗。而如前述，毫米波天線陣列便是這一高速無線體驗的關(guān)鍵支柱。

而目前雖然5G手機整機主要且直接的毫米波天線性能指標尚未明確及訂出，但黃博士表示一般可分為兩個維度，一個是EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，有效無向輻射功率）的最大值與最小值，因為若EIRP太大，會造成對其他系統(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，但越廣的空間覆蓋，則往往需要犧牲手機外形設(shè)計的極致性與吸引力，故在毫米波束廣覆蓋度與手機整體競爭力兩者間需做適當?shù)臋?quán)衡，而這其實也是目前3GPP RAN4 （Radio Access Network）5G毫米波討論的重點熱區(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)計架構(gòu)與方向，但現(xiàn)今手機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)勢之處，但目前更多的是以AiM的方式實現(xiàn)，而AiM毫米波波束賦性天線陣列的設(shè)計重點主要有：天線陣列（包含feeding network，即饋入網(wǎng)路）的設(shè)計與優(yōu)化能力、板材（substrate）與涂料（coating）的選擇與驗證能力、電氣系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)環(huán)境的設(shè)計與優(yōu)化能力、模組化制程的設(shè)計與實現(xiàn)能力，與軟件算法的設(shè)計與優(yōu)化能力等。而黃博士也分享手機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）皆會整合入射頻芯片（RFIC）內(nèi)，且每一路（因有多路以連接多個天線單元）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，即不會有傳統(tǒng)的板端射頻調(diào)試與傳導(dǎo)測試，相關(guān)射頻參數(shù)驗證將以空口（OTA, Over-the-Air）方式進行。

在分享毫米波射頻前端電路的架構(gòu)后，黃博士也對手機毫米波天線陣列設(shè)計進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到前述的更廣的空間覆蓋，一般會以輻射波束互補（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，即準八木天線）進行搭配設(shè)計，并基于天線饋點的適當設(shè)計，以達到雙極化（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，達到較好的EIRP與覆蓋強度。

2017-01-06  來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 

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