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使用AiAiP实现创新手机天线设计的详细资料说明
王越建
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毫米波科技于手机上的应用除了熟知的5G毫米波外，另一潜在的新兴应用便是60-GHz毫米波的运动（如：手势或头部动作）识别雷达。而显示屏是手机极为重要且显性的关键特点（feature），随着2017年而起的全面屏风潮，对现今主流手机而言，大屏或高屏占比的设计，早已成为标准的基本配置。然而，对于用户多数的手机无线操控运动，尤其是手势或头部动作，往往侦测的方向是需朝向显示屏前方，而此隐含着雷达天线的辐射方向图应是出屏面而朝用户的方向。而目前的主流设计为在显示屏上开设无金属遮挡的天线窗口（如：刘海notch）而在此窗口下放置60-GHz毫米波的AiP（antenna-in-package）方案（或直接采取非高屏占比的设计以可在非屏区下装设60- GHz毫米波的AiP模块）；如此，雷达波束方可有较佳的辐射出屏面而朝向用户，以有助用户的无线操控体验。然而，此设计常会影响甚而阻碍手机高屏占比或是全面屏之设计，而显示屏的观感与体验却又如前所述往往是手机重中之重。故，如何于手机上兼容全面屏与60-GHz毫米波运动识别雷达便成为手机天线研究与设计的新热点课题。近日，一篇去年由vivo移动通信公司天线预研团队投稿基于AiAiP ［1］–［3］的手机毫米波天线创新设计以可兼容手机全面屏与60-GHz毫米波天线的研究文章［4］于今年的 EuCAP（欧洲天线与传播会议）线上刊出，此创新设计不但有助于未来手机全面屏与60-GHz毫米波天线及LTE天线三者兼容设计的新思路拓展，且此设计亦纳入了手机的屏幕玻璃与玻璃粘胶对毫米波天线的覆盖，故更具实际的设计指导功用。文章作者表示：“此研究的主要框架与思路起源于2018年下半年，于2019年投稿文章前已进行相关专利申请，而此设计理念秉承了先前同样地由此天线预研团队所提出的 AiA ［5］–［6］及AiAiP ［1］–［3］思维，即把原先对天线设计为不利或制约因素的金属边框，转化为对天线设计有利而助益的天线载体，以可突破原先的设计限制，并兼容全面屏设计，而达到有效辐射的目的及更有竞争力的产品。因基于金属边框设计的毫米波天线的辐射方向要求需出屏面而朝向用户，但受限于有限的金属边框厚度及有限的机内堆叠空间，一般形式的天线设计方案［7］–［10］往往较难同时满足产品与辐射的需求，故此处方案为于金属边框上设计嵌入式（embedded）的H面扇形喇叭天线（H-plane sectoral horn antenna），以良好地复用狭窄的金属边框作为喇叭天线的边界金属（因H面的喇叭天线是平行沿着（而非正交于）金属边框进行长边开口，故无需增加金属边框的厚度，即不影响全面屏的可视区（active area），即A.A.区，的占比）并可得到所需的出屏面而朝用户的辐射方向图，且此60-GHz毫米波天线也进一步与金属边框的LTE天线进行嵌入式的集成设计，故此两类天线可共享金属结构而臻至更为紧凑且克服金属屏蔽的设计；此外，若整机条件允许，此设计亦可进行多处布局放置，以达用户更优的无线操控体验。于此抛砖引玉，望各位老师、学者专家，与朋友先进，惠予匡斧指导。” 下文主要为节录选取自前述发表的文章（略除细部尺寸与参数），以进行相关设计思路的分享。此设计与仿真为基于电磁仿真软件Dassault System Simulia CST 2018进行， 而如下图1所示，此手机外观为金属边框及正反两面皆为100%玻璃覆盖（而正面与背面外观皆相同）且为典型实际尺寸的模型。图中黄色部分为金属，蓝色部分为屏幕玻璃，而棕色部分为介电材质的包胶。而图2为当屏幕玻璃去除后的，手机内部正视图，由图2中可看出4个60-GHz毫米波天线（其中1个为发射天线，3个为接收天线）内嵌集成于金属边框中，且此金属边框同时也作为LTE低与高频的天线，屏幕的可视区（即A.A.区）对于手机整个正面的占比高于91.7%。而图3则为去除掉后盖玻璃的内部视图，在顶部与底部金属框各有两个T形开缝（外窄内宽），以利LTE天线的设计。而图1–3中的尺寸单位皆为毫米（mm）。
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