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vivo首席天线专家黄奂衢博士:5G手机天线设计技术与艺术的质变 --毫米波天线阵列

C114讯 11月21日早间消息 伴随着无线通信技术的迅猛发展,移动电话在近二十多年来经历了数次华丽转身。从之前的大哥大到小灵通再到如今的智能手机,其外形越来越小巧,造型则越来越多变,最明显的就是之前长长的电线“消失”了。

然而随着5G的到来,手机上的天线设计越来越复杂,尤其是在5G高频的毫米波频段,此时连机身背盖材质的选用,甚至是背盖的厚度,及背盖到毫米波天线阵列的距离也要进行设计与优化,以达到整体的辐射性能最优。

而vivo首席天线专家黄奂衢博士于11月16日在北京举办的2017未来信息通信技术国际研讨会上于手机业界首度公开题为“手机毫米波天线阵列设计概览”的演讲时便提出,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,则可视为是“质的跳跃”。

vivo首席天线专家黄奂衢 博士 领跑首谈《手机毫米波天线阵列设计概览》

毫米波天线阵列身负5G热点高容量无线通信之重任

而在5G的大潮中,除了芯片厂商、运营商,与设备厂商外,终端厂商也扮演着重要的角色。因其整体与用户更加贴近,故可以为使用场景的技术预研,及终端性能的挖掘与优化进行积累准备,而5G手机的天线设计便是手机无线通信性能研究与优化极为重要的方向之一。而可见的未来,手机基本而言依然是人们日常生活中最重要的无线通信工具之一,而无线通信的品质好坏很大程度即取决于天线性能。

而何谓天线?它有什么作用?黄奂衢博士解说,以工程上的基本定义而言,天线是一个过渡元器件,其担负着终端与自由空间端间电磁能量平滑有效率进行收发传递的功用,且天线在无线通信链上,其是发射端的最后一级,但却又是接收端的第一级,即其同时身兼前锋与后卫的角色,也如山海关一般,是中原出塞的最后一关,但却又是塞入中原的第一关,故若山海关不振,则中原震荡,京师危矣,故天线在无线通信链路上的关键地位不言而喻。

黄奂衢博士也表示,对于无线通讯设备来说,天线对此些设备起的作用,相当于眼睛和耳朵之于人类。性能低下的天线常常造成高掉话率与更短的通讯距离,好比因近视和弱听造成人类较短的视力距离和较差的听力品质。

回顾这些年天线设计的发展历程时,黄奂衢博士表示,在1G到3G世代的手机天线设计,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莠的关键角色。

故黄奂衢博士认为,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。

而因毫米波通信的高频传输,故能因其大的带宽带来更高的通信系统容量,而使无线传输速率进一步增长,而支撑5G主要场景之一“热点高容量”的无线通信指标要求,以提升用户5G的无线体验。而如前述,毫米波天线阵列便是这一高速无线体验的关键支柱。

而目前虽然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,但黄博士表示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。

此外,黄奂衢博士讲述到,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。

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而详尽的剖析,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。

vivo先行一步布局5G

据CCS insight预测,到2021年,5G智能手机的出货量将达到1亿部。Strategy Analytics 也预测5G商用手机销售会始于2020年,并在2025年出货量超过3亿部。由此可见,5G时代,手机行业竞争必定愈发激烈,到时候各家品牌拼的不再只是性价比和参数,而是研发能力以及用户体验。

目前在全球坐拥一亿活跃用户的vivo已经率先在5G这一技术前沿领域不断探索,率先提出“5G智慧手机”的理念,将自身作为科研机构、运营商和消费者之间的“桥梁”,推动5G手机走上更为成功之路。

而就手机毫米波天线阵列而言,vivo团队进行了大量试验和研发。黄奂衢博士便将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。

且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。

而vivo从手机天线相关设计乃至5G整体研发投入上投注了相当多资源,黄博士表示,其个人带领vivo团队走访过以色列高通(Qualcomm)、日本村田(Murata),与台湾启碁(WNC)等目前全球毫米波芯片与天线阵列领先的企业,并进行深入的交流与合作,而在毫米波天线阵列的设计分析上,更令日本村田研发团队大感惊艳。

随着3GPP 计划将5G标准化时间表提前到2018年,运营商和制造企业都在加紧布局5G相关工作,vivo也正在加快5G智慧手机的研发和设计,以其完整而坚实的自研与自产能力而和整体产业链共同携手推动5G的发展,而为市场、为产业、为用户带来更多令人期待的惊喜!

   来源:C114中国通信网
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