Compact Antenna Designs for Future mmWave 5G Smart Phones

Shiban K. Koul and Karthikeya G. S, Center for Applied Research in Electronics, IIT Delhi, India and Ajay K. Poddar and Ulrich L. Rohde, Synergy Microwave Corporation, USA

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未来的毫米波5G智能手机必须采用紧凑的天线设计，以提高发射功率和电池寿命。天线在有限的占板空间内必须具有高增益，并应支持单手和双手模式。本文深入介绍了5G天线的设计要求，并提供了一些实现这些天线的设计示例。

近年来，用于5G设计、发展和部署的研发投资有所增加：例如，欧洲委员会迄今已向萨里大学、德累斯顿工业大学、隆德大学等多家学术机构投资了5000万欧元，建立了针对5G架构设计的创新中心。中国政府早已启动IMT-2020，以促进5G无线技术的研究和标准化。三星、高通、爱立信、Verizon、诺基亚西门子通信、恩智浦、NTT Docomo、IBM和华为等领先公司已经建立了专门的5G研究小组。

纽约大学的研究人员在28和38 GHz频带上进行了详尽的信道传播研究，以证明毫米波频带用于蜂窝电话的可行性。¹ 在毫米波频率下，自由空间路径损耗和穿透损耗相对较高。低于6 GHz的自由空间路径损耗在80至95 dB范围内，而28 GHz的自由空间路径损耗约为105至110 dB。该差距可以通过提高移动设备至基站链路上的各个天线的增益进行补偿。可以通过更改多波束天线的增益来管理路径损耗，但是对于常见的建筑材料（例如砖、混凝土和玻璃），穿透损耗可以高达30至40 dB。这严重恶化了链路预算，而针对给定的接收机灵敏度，在基站或接入点维持适当链路功率预算的可行性尚未得到验证。

智能手机天线所需的特性

在有限的物理空间内，移动设备中的天线必须具有高增益。以下是毫米波5G天线所需的特性。

A. 物理尺寸

图1展示了典型智能手机的内部布局图。² 智能手机的厚度为6到8毫米。5G天线研究人员在设计28 GHz天线时必须考虑面板的厚度。5G天线还必须与4G-LTE和MIMO天线共存，以向后兼容。手机的大部分空间都被电池占据，剩余空间必须用于主板、前端和后端电子器件。因此，支持各种无线业务的所有天线的有效空间仅剩：沿智能手机的长边为8x1x0.7厘米，沿智能手机的短边为6x1x0.7厘米。独立设计5G天线时，必须格外小心，以确保辐射器的尺寸在这些限制之内。为了全面了解毫米波5G天线，必须研究天线共址、扬声器、镜头、金属框架、模具和其他金属或半金属组件的影响。

图1：典型智能手机的结构图。

B. 辐射方向图

5G主要被用于高数据速率无线业务，这意味着必须锁定移动终端与基站之间的波束，既无论用户的移动设备的方向如何，5G天线的辐射方向都必须始终朝向基站。作者在其电子书中单独介绍了实现波束锁定的详细信息。³

图2显示了通用智能手机的布局和天线位置。图中还显示了将移动设备直立时的预期辐射方向图。大部分辐射功率必须被导向基站。波束宽度可以在80到120度范围内。用户握住移动设备时，前后辐射功率比必须高于10 dB。因此，必须按用户使用移动设备的行为设计辐射方向图。

图2：智能手机的天线位置。

C. 波束宽度

在当前的商用智能手机中，对于大多数无线业务，天线是全向辐射的。在5G毫米波环境中，相同的方式将无法实现链路预算。可以使用具有单独端口和控制器的相控阵来控制波束宽度。

D. 增益

在5G天线中，讨论最多的参数可能是增益。考虑到移动设备上的空间限制，8至15 dBi的增益将是可行的。当将天线安装在面板上时，低于5 dBi的增益表示不良的前后比，会牺牲波束完整性。高于15 dBi的增益会使波束窄到牺牲必要的角度覆盖范围。最好具有合理的高增益以维持链路预算。还必须注意，与基站中的天线相比，移动终端中的天线必须在架构上更简单并且成本更低。

E. 辐射效率

建议辐射效率高于80%。与前几代电小尺寸的天线相比，半波长天线可以轻松集成到移动设备中，因此效率可以很高。就5G天线而言，基于电薄低损耗基板的结构将带来高辐射效率。

F. 阻抗带宽

26至30 GHz的10 dB阻抗带宽可适用于28 GHz频带，但是具体的带宽取决于标准化进程和各地法规机构。必须注意，要使天线在相邻频带中的杂散辐射最小。还有，由于电大结构的可行性，5G天线可以承受10 dB的阻抗带宽。

G. 比吸收率 (SAR)

SAR的问题对于较低频段（尤其是6 GHz以下频段）非常重要，因为这些波会大量穿透人体组织。除此之外，毫米波5G主要用于数据业务，这意味着与语音业务相比，用户头部与移动设备接近的时间更长。

根据Friis传输公式，设计28 GHz硬件生态系统遇到的主要问题是自由空间路径损耗高。通过在移动设备和基站中都加入高增益天线（8至10 dBi的前向增益）以维持合理的通信链路预算可以减轻这种影响。因此，小尺寸高增益天线对于移动设备至关重要。增益必须在整个工作带宽内几乎不变。

毫米波5G无线服务主要致力于数据应用。如图3所示，用户相对于水平方向以30到50度的角度握住移动终端。在这种情况下，天线必须向远离用户的方向辐射以实现良好的链路预算。而实际上，宽边平面辐射器是向用户辐射的（图3），图4所示的弯角天线则向远离用户的方向辐射。解决此问题的更简单方案是使用端发射天线，当与移动设备的主板集成时，该天线将大部分向远离用户的方向辐射，但该天线会挤占智能手机中更多的空间。

图3：人使用智能手机的典型姿态。

图4：弯角天线的辐射。

多挤占的空间可归因于背面电路板，它位于为端发射天线馈电的传输线处或附近。弯角天线与智能手机外壳集成后占用的空间则极小，并且向基站方向辐射。弯角天线的馈电平面沿着智能手机的背面电路板平面，而辐射器则位于智能手机的顶端面板上（图4）。导体辐射器将向远离用户的方向辐射。有意思的是，当弯角天线与移动设备集成在一起时，由用户的手造成的衰减是最小的。

毫米波5G主要用于高容量无线数据业务，不一定用于语音。在使用数据业务时，智能手机的典型使用模式为纵向和横向，但是某些用户可能会用其他方式使用手机。本文讨论的案例通常包含了80%以上的用例。纵向或单手模式的使用场景如图5a所示。在纵向模式下，用户使用一只手操作智能手机。如图2所示，这种情况下的毫米波5G天线必须向远离用户即朝着基站的方向辐射。除了方向图要求外，还必须沿着智能手机的面板集成天线，以尽可能减少对射频电路板的干扰和与其相互耦合。在操作过程中，用户可能会用任何一只手，因此，无论用户用哪只手，天线都必须能向外辐射。为了满足此条件，需将前向辐射天线安装在手机的顶部。另一种常见的模式是横向或双手模式（图5b）。

图5：纵向或单手模式（a）与横向或双手模式（b）。

实际的行业标准是使用相控阵，但是相控阵会遭遇高扫描损耗，并且当波束正交发射时将无法工作。^4,5 初步设计了一种工作在28GHz的单阵元内嵌馈电强谐振贴片天线，并将该阵元扩展为四个半波长间隔的阵元用于相控阵。四端口相控阵的波束扫描如图6所示。从三维方向图可以看出，在轴向上的波束是无散斑的，最高增益为12.6dBi。当波束扫描远离轴向时，波束的增益显著下降。当以60度或更大的角度扫描波束时，波束的完整性会受到影响，增益下降接近5dB，在该角度下无法正常工作。端发射天线阵的情况也是如此。任何设计良好的相控阵的波束扫描通常被限制为相对于0度轴的±40度。解决这一问题的一个简单解决方案是在智能手机的边缘安装两个相同的相控阵。这种方法将控制器和波束赋形器的复杂度增加了至少四倍。因此，相控阵解决方案在纵向和横向模式场景中的效率可能不如其他方法。

图6：四阵元阵列的波束扫描。

微带馈电共用接地设计

A. 紧凑型阵列

设计了工作在28 GHz的宽带相控阵天线，其原理图见图7a。⁶ 该天线设计在0.508mm厚的Nelco NY9220基板上，基板的介电常数为2.2±0.02、介电损耗正切为0.0009。天线宽32.54 mm、长28.86 mm。辐射器被放置在距馈电口10mm以上的位置，以最大限度地减少来自电大板端连接器的干扰。馈线是标准的50Ω线。所有四个阵元也由50Ω传输线馈电。为了设计从馈线到辐射器的宽带过渡，使用了带有一分四变换器的共用馈电网络。辐射器之间的间距经过优化，设为6.28mm，可最大程度地增加轴向增益。

图7：工作在28 GHz的平面阵列（a）；弯角阵列（b）；弯角阵列在28 GHz时的H平面和E平面辐射方向图（c）。

辐射器是工作在28 GHz的标准内嵌馈电贴片天线（图7a）。当平面天线集成到智能手机中时，它将向用户辐射。另外，天线的占板面积很大，可能不适合智能手机。因此，如图7b所示，天线被弯曲。该弯角或共形天线在辐射器之前弯曲，因此辐射将远离用户并朝向基站。天线的实际高度为7.4毫米，当组装到手机中时，高度减小到近6毫米，这与当今市场上大多数智能手机兼容。

图7c显示了E平面和H平面的辐射图。由于波束成形发生在YZ平面（H平面），因此波束宽度比XZ平面（E平面）更窄。在整个工作频段中，前后比大于20 dB，这表明当共形相控阵集成到智能手机中时，朝向用户的辐射最小。

B. 紧凑型八木天线

前述宽带弯角阵列将可用于纵向模式。因此，第二天线的馈线和从天线辐射出的波束必须正交才能满足图5的要求。为满足这些要求，提出了一种新的宽带天线，其示意图见图8a。⁶ 天线的宽度为20毫米，以配合板端连接器。天线的长度为31.9 mm，馈电线的宽度为1.2 mm，向偶极臂馈电，偶极臂与馈电线正交。如图8a所示，馈线连接到短截线以实现宽阻抗带宽。寄生辐射器有助于提高增益。天线的共形设计如图8b所示。弯角正交天线的输入反射系数如图9所示，其工作频率为27至31 GHz，相当于阻抗带宽的13.8%。

图8：平面印刷八木天线（单位为mm）（a）；弯角八木天线（b）。

图9：弯角八木天线的|S₁₁|和前向增益。

28 GHz时的H平面（YZ平面）辐射图见图10。在整个频段内前后比大于10 dB，表明与智能手机集成后朝向用户的辐射最小。前向增益也显示在图9中。在28 GHz时增益为7 dBi，表明在最小占板面积下也实现了高增益。

图10：天线的H平面辐射图。

C. 阵列、八木二合一天线

二合一天线如图11所示。两个共形天线相隔1.2毫米集成在同一电介质中。集成天线可适应智能手机的横向和纵向模式，同时占板面积最小、朝向用户的辐射也最小。尽管两个天线间隔很近，各个端口的输入反射系数仍保持不变。整个频带上的互耦小于20 dB。图12显示了28 GHz时的辐射图。

图11：阵列、八木二合一天线

图12：阵列、八木二合一天线28GHz辐射图

垂直安装的端发射天线

紧凑型八木天线的示意图见图13a。⁷ 它是在介电常数为2.2的Nelco NY9220基板上设计的。基板的厚度为20mil，这对于维持较小的微带走线至关重要。电厚基板以增加交叉极化辐射为代价产生更高的带宽。最初设计了一种基于微带的标准偶极天线。改变偶极臂的长度以在更高的频带（即5mm偶极臂长度对应30.5GHz）实现强共振，但是期望的频带为28GHz。因此，偶极臂在两个平面上都延伸了0.75毫米，以将天线调谐到28 GHz。寄生效应经过优化可以在端发射中提高3 dB增益。偶极天线由一条1.2毫米宽的微带线馈电。偶极子的臂宽为0.25 mm，以实现与馈线的阻抗匹配。接地平面的宽度保持在4.8 mm，这完全在商用智能手机的限制范围内（假设垂直安装天线）。接地平面的宽度不会妨碍天线的阻抗特性，因为电小接地平面的插入损耗很小。如图13b所示，在天线的馈电边缘处，接地平面的宽度为20 mm，足够容纳板端连接器，无需延展就可以使用SMP或mini-SMA连接器。

图13：紧凑型印刷八木天线示意图（a）；制成的原型天线的照片（b）⁷

前后比大于10 dB表明向前的功率占90%以上。当集成到移动设备中时，就转化为朝向用户的辐射很小。交叉极化水平小于20 dB。如图14a所示，天线单元正交放置。

为了验证上述天线结构的有效性，设计了3D打印的转角面板，如图14b的照片所示。3D打印面板的厚度约为6毫米，转角呈弧形，可模仿大多数手机。在实际场景中，商用手机中的电介质将附着在辐射器的一侧，从而最小程度地改变天线的辐射方向图和阻抗特性。每个端口被激励时的3D辐射图见图14c。

图14：正交天线示意图（a）；制作的原型天线（b）；28 GHz时的3D辐射方向图（c）⁶

结论

本文回顾了未来毫米波5G智能手机和移动设备中集成天线的详细要求。说明了单手和双手模式操作的要求。展示了紧凑型天线的设计示例，这些示例可以满足设计要求，并且增益要高于当前的贴片天线。作者在其与本文同名的电子书中提供了更多详细信息。³