Killoser

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目前5G毫米波手机天线设计的情况综述

2021-1-7 16:49:55 显示全部楼层
        导读
        5G将改变未来社会的各个领域,带领我们进入一个“万物互联”的新时代。天线是5G移动通信系统的关键器件之一,随着5G通信技术的发展,5G天线设计将面临许多瓶颈问题。本文将通过手机天线的发展路线来讨论5G时代手机天线面临的诸多挑战,并对手机天线的未来发展趋势进行展望。
        作者简介:
        孙利滨,2020年清华大学研究生特等奖学金获得者,电子工程系16级直博生,导师为张志军教授,主要研究方向为:5G移动终端天线、多输入多输出(MIMO)天线、毫米波天线和阵列天线去耦技术等。
        主要研究贡献
        近年来,随着移动数据流量的爆炸性增长以及各类新业务和新场景的不断涌现,5G移动通信系统应运而生,它将带领我们进入一个“万物互联”的全新时代。大规模天线技术是5G移动通信中最为关键的技术之一。然而,由于手机等移动终端设备的尺寸小且电磁环境复杂,如何在受限的空间中“塞下”大量的天线成为了5G技术的瓶颈问题。因此,我们提出了一种基于正交模式的集成一体化多天线设计方法,解决了多天线集成设计时存在的互耦大、设计复杂度高、辐射效率差等问题。
        我们的主要研究贡献在于,提出了一种新的集成多天线设计方法,通过将不同工作模式的天线设计成同一频率,根据模式的正交性,无论两个天线距离多近都不存在耦合,从而实现了集成且解耦的5G多天线设计,具有高集成度、高隔离度、设计复杂度低、宽带等优势。由于优异的性能,这一方案也被成功应用到了华为的旗舰手机中,推动了工业界5G天线技术的发展。
        1  5G移动通信
        近年来,随着移动数据流量的爆炸性增长以及各类新业务和新场景的不断涌现,第五代移动通信(5G)系统应运而生。相比于4G通信,5G将给我们带来更快的通信速率,更大的通信容量、更低的通信时延和更高的连接可靠性。此外,5G不仅是下一代移动通信技术,它还将支持更广阔的垂直行业应用,将我们带入一个万物互联的全新时代。通过将5G技术与工业、农业、医疗、教育、交通、金融等民生行业深度融合,我们可以构建一个以用户为中心的全方位信息生态系统,推动全社会数字化经济发展,真正实现“4G改变生活、5G改变社会”的总体愿景[1]。
        然而,2018年以来,随着美国对华为、中兴等中国通信企业的多轮制裁,我国通信设备和技术遭受了前所未有的封锁。因此,李克强总理在十三五规划中提出,5G已被置于我国国家战略,要让5G技术走在全球前列。
       
        图1:5G技术总体愿景(图源:网络)
        天线,作为5G移动通信系统中的关键器件之一,它可以将通信系统中的信号以电磁波的形式向外发射,也可以将空间电磁波接收进来转化成信号。在移动通信链路中,天线位于发射链路的末级,同时也位于接收链路的首级,占据着举足轻重的要塞位置。如果天线设计不达标,就会出现手机通话信号差,上网速度慢、手机耗电快、发热严重等诸多问题。因此,天线之于通信系统,好比眼耳之于人[2],好的天线设计能让移动通信系统“看得更远,听得更清”。
        2  从手机天线发展路线看5G时代手机天线面临的挑战
       
        图2:移动通信手机天线发展路线(图源:作者)
        在可见的未来,手机依然是人们日常生活中最重要的通信工具之一。为了保证良好的通信质量,手机中的天线设计一直是大家最为关心的问题之一。在不同的时代背景下,移动通信技术的更新迭代和手机工业设计的不断改进推动了天线技术不断向前发展。1983年,第一款商用手持移动电话摩托罗拉DynaTAC 8000X问世,它标志着第一代商用移动通信(1G)系统的开端 [4]。此时的手机采用的是外置天线,天线设计简单、尺寸庞大且不需要考虑天线与手机中其它器件的共存问题,因此天线具有很好的辐射性能。到了2G时代,由于外置天线结构不美观且机械强度差,内置天线开始逐渐取代了外置天线。然而,相比于外置天线,内置天线的尺寸受到了压缩,且还需面临天线与手机中其它器件的共存问题,因此天线小型化和平面化技术成为了2G时代天线设计的主旋律。迈入3G时代后,随着iphone4的发布,大屏幕和金属边框的工业设计成为了人们追捧的潮流。然而,LCD屏幕会引入电子噪声干扰天线,且屏幕背面的金属屏蔽层会大大影响天线的辐射效率,因此天线的设计空间被迫“挤压”到了屏幕之外的狭小空间中,天线与屏幕的拉锯战也从此拉开了帷幕。另一方面,由于金属边框对电磁波的屏蔽作用,导致天线无法有效向外辐射能量。为了解决这一问题,天线开始与手机的金属边框融合设计,通过在金属边框开缝设计为“边框天线”,将金属边框作为天线的辐射体。到了4G时代,为了满足视频和大型游戏等新型业务的需求,移动通信的频段进一步增加,“多频多模”成为了天线设计的新需求。与此同时,随着全面屏手机的流行,天线与屏幕的拉锯战进一步加剧,天线的设计空间也受到了极大的压缩。因此,如何在极度受限的尺寸下设计多频段天线是4G手机天线设计中最大的挑战之一。
        迈入5G时代之后,手机天线不仅需要面临2G/3G/4G时代的所有挑战,同时还需要面临移动通信技术更迭带来的全新考验。为了进一步提升移动通信系统的容量,5G采用了两项全新的技术——大规模MIMO技术和毫米波技术。其中,大规模MIMO技术是通过在基站和终端设备中部署大量的天线来同时传输多个不同的数据流,从而提升用户的通信速率。大规模MIMO技术需要在手机上部署4~8个同频5G天线,从而支持4~8个数据流的同时传输。然而,如何在手机极度受限的空间中设计大量的5G天线,并且解决同频天线之间的互耦问题是5G手机天线最有挑战的课题之一。
       
        图3:大规模MIMO技术(图源:网络)
        毫米波技术则是将通信频段从6GHz以下(Sub-6GHz)提升至毫米波频段(24GHz以上),从而通过更大的通信带宽来提升通信系统的容量。然而,毫米波技术在带来更大带宽的同时,也产生了更大的损耗,导致通信距离大大缩小。因此,如何设计同时满足通信距离和空间覆盖双重需求的天线是5G毫米波手机天线设计中最大的挑战之一。
       
        图4:5G频谱分布(图源:网络)
        3  “量的增长”——大规模MIMO技术

        在Sub-6GHz频段,5G手机天线设计面临的主要挑战来源于大规模MIMO技术带来的天线数量增长。在多天线的部署中,每个天线间需要间隔一定距离才能实现多天线的去耦合。然而,“全面屏”、“瀑布屏”等新的工业设计导致天线的设计空间被极度压缩,因此如何在受限的空间中“塞下”更多的天线成为了5G天线设计的瓶颈问题之一。此外,3GPP定义的5G新频段包括N77 (3.3~4.2 GHz)、N78 (3.3~3.8 GHz)和N79 (4.4~5.0 GHz)。在多天线设计的同时,还需让每个天线实现5G多频段覆盖,这进一步加大了5G天线的设计难度。
        2016~2017年,台湾国立中山大学的Kin-Lu Wong教授课题组[5], [6]率先提出将多个5G天线集成设计来提升天线的空间利用率,从而解决不断增长的天线数量与受限的天线设计空间之间的矛盾。为了减少天线间的耦合对天线性能产生的影响,其通过在集成多天线之间引入新的耦合路径来抵消原有的耦合。但是,由于多天线间距离近,该方案依然面临隔离度差(10 dB)、带宽窄等瓶颈问题。为了提升集成多天线的隔离度,清华大学张志军教授课题组[7]在2018年提出了一种正交模式方法,通过将不同模式的天线设计成同一频率,根据模式的正交性彻底解决了多天线集成设计时的耦合问题,实现了当前5G集成多天线的最高隔离度(20 dB)。然而,由于紧耦合的多天线系统会使天线带宽下降,因此难以实现5G多天线的多频段覆盖需求。因此,清华大学张志军教授课题组在此基础之上进一步提出通过多组正交模式协同工作的方式提升集成多天线的带宽,实现宽带集成一体化5G天线[8],可以覆盖全球5G N77、N78和N79所有频段,解决了5G天线集成化、宽带化、高隔离这三大难题。由于优异的天线性能,这一方案已经被成功应用到了华为的旗舰手机中,推动了我国5G天线技术的发展。此外,本课题组也在积极与华为公司开展技术合作,研发下一代移动通信系统中的天线关键技术。

       
        图5:基于正交模式的5G集成多天线设计(图源:作者)
        4  “质的飞跃”——毫米波天线技术
        5G移动通信的另一个关键技术是毫米波技术,它通过更丰富的频谱资源来满足不同种类的业务需求,从而达到5G所需求的极宽带宽和极低时延。随着全球5G网络部署向纵深挺进,5G毫米波的商业部署也在全球各地逐渐展开。毫米波技术有望为用户带来400MHz的载波带宽,相比4G网络的20MHz带宽提升了近20倍,相比5G Sub-6GHz网络的100MHz带宽也提升了4倍,从而有望将5G传输速率提高至10Gbps。然而,根据Friis传输公式,毫米波在带来更大带宽的同时,也带来了更大的路径损耗,传输距离相比Sub-6GHz频段大大减小。因此,毫米波天线需要通过具有波束赋形能力的高增益相控阵列天线来同时满足传输距离和空间覆盖的需求,这与Sub-6GHz频段天线的设计思路完全不同,它将为天线设计带来全新的挑战:
        全空间覆盖能力
        为了实现全空间的波束覆盖能力,一方面,在天线单元的设计中需要同时考虑侧向辐射(Broadside)和端向辐射(Endfire);另一方面,在阵列设计时还需要设计具有大角度波束赋形能力的相控阵列来实现全空间的无死角覆盖。然而,传统相控阵技术在大角度扫描时往往会出现增益下降、有源阻抗匹配恶化等问题。因此,设计具有良好波束赋形能力的相控阵列是5G毫米波天线的瓶颈问题之一[9]。目前,国内外学者在大角度毫米波波束赋形相控阵领域已开展了大量的研究,其主要技术手段包括寄生辐射单元、单元方向图调控、开关波束阵列和边框波束增强等。
       
       
        图6:毫米波天线波束赋形(图源:网络)
        5G毫米波天线与4G天线的共设计
        由于手机中天线布局空间十分有限,5G毫米波天线往往需要与其它天线共享空间或共设计以减小天线设计空间。然而,不同的天线之间可能存在较大的干扰。因此,如何实现4G天线和5G毫米波天线的共设计,从而减小毫米波天线额外占用的空间也是5G毫米波天线的设计难点之一 [10]。图示给出了一种5G毫米波天线与4G LTE主天线共设计的示意图。

       
        图7:4G天线与5G毫米波天线共设计示意图
        (图源:参考文献[10])
        系统级设计
        由于毫米波馈线损耗大,毫米波天线不能再作为分立器件单独设计,而是采用AiP(Antenna-in-Package)方案,即把天线、射频收发器和射频前端集成在芯片的封装上,实现系统级无线通信模组,以减少射频馈线带来的损耗,实现更大的有效辐射功率。AiP技术同时兼顾了天线的性能、成本和体积,并具有高集成度的优势,因此在5G手机中被广泛应用。然而,系统级设计也为毫米波天线设计带来了一系列难题,如封装材料与工艺的兼容性、模组化制程的设计与实现、电气系统与结构环境的设计与优化等。图示为高通公司的5G毫米波AiP模组,三星公司在其2019年发布的旗舰手机Sumsang Note10+ 5G版中采用了该毫米波AiP模组。而苹果公司在其最新发布的iPhone 12 Pro Max中采用的则是中国环旭电子(上海)公司的毫米波AiP模组,彰显了毫米波天线设计中的“中国力量”。



       
        图8:高通公司的5G毫米波AiP模组(图源:网络)
        5  总结展望
        移动通信革命的新浪潮不断推进天线技术向更宽带宽、更多数量和更高频段的方向发展。与此同时,终端设备工业设计的进步也在不断给传统天线的设计形态提出新的挑战,从而孕育出具有全新的结构形态、辐射机理和系统架构的新一代天线系统。而新一代天线系统也将推进移动通信系统向更高速率、更大容量、更低时延和更低功耗的目标迈进。未来,随着移动通信需求的进一步提升以及天线设计环境的进一步局限,天线与系统、天线与芯片、天线与屏幕的深度融合设计也将成为未来手机天线可能的发展方向。
        参考文献:
        [1] 5G愿景与需求白皮书,IMT-2020 (5G)推进组,2014年5月
        [2] 黄奂衢,全面屏手机天线设计简介,3D曲面玻璃&全面屏手机高峰会,2017年10月
        [3] 黄奂衢,5G手机天线设计技术与艺术的质变,未来信息通信技术国际研讨会,2017年11月
        [4] Z. Zhang, Antenna Design for Mobile Devices, 2nd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2017.
        [5] K.-L. Wong, J.-Y. Lu, L.-Y. Chen, W.-Y. Li, and Y.-L. Ban, “8-antenna and 16-antenna arrays using the quad-antenna linear array as a building block for the 3.5-GHz LTE MIMO operation in the smartphone,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 58, no. 1, pp. 174–181, Jan. 2016.
        [6] K.-L. Wong, C.-Y. Tsai, and J.-Y. Lu, “Two asymmetrically mirrored gap-coupled loop antennas as a compact building block for eight-antenna MIMO array in the future smartphone,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 4, pp. 1765–1778, Apr. 2017.
        [7] L. Sun, H. Feng, Y. Li, and Z. Zhang, “Compact 5G MIMO mobile phone antennas with tightly arranged orthogonal-mode pairs,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 11, pp. 6364–6369, Nov. 2018.
        [8] L. Sun, Y. Li, Z. Zhang, and Z. Feng, “Wideband 5G MIMO antenna with integrated orthogonal-mode dual-antenna pairs for metal-rimmed smartphones,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 4, pp. 3494–3503, Apr. 2020.
        [9] 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.
        [10] J. Kurvinen, H. Kähkönen, A. Lehtovuori, J. Ala-Laurinaho, and V. Viikari, “Co-designed mm-wave and LTE handset antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 67, no. 3, pp. 1545–1553, Mar. 2019.
        来源: 探臻科技评论

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