筆電搭載行動通訊網路的設計隨著時間更迭越來越普遍。其中天線組態依照頻段劃分，進而進行調整及驗證，因此如何進行配置為一大關鍵。從技術延伸至應用，突破重阻將能使通訊模組效能進一步提升。
從90年代末期開始，筆記型電腦逐漸於一般大眾的工作或是日常生活中普及，而經過二十多年後，目前各家筆記型電腦大廠都有設計及研發搭載行動通訊網路的筆記型電腦。
以惠普電腦為例，瞄準企業用戶的商用筆記型電腦從支援數據傳輸的第三代行動通訊就已經開始導入，一路發展到今日的第四代行動通訊(4G LTE)，以及從2020年開始在部分旗艦機種欲導入的第五代行動通訊(5G NR)。無論是無線通訊硬體的設計，如無線通訊模組的開發或是雜訊抑制的設計，以及支援多頻段的天線都面對極大的挑戰。
本文將會從技術及產品設計兩大層面來描述應用在筆記型電腦中5G天線的設計挑戰。
頻段決定天線組態
根據頻段的劃分，目前5G主要運用的頻段為FR1(Frequency Range 1)以及FR2(Frequency Range 2)。FR1指的就是所謂的sub-6頻段，表示操作頻率低於6GHz；其中最熱門的頻段就是3.5GHz這一塊，以3GPP的劃分來看，就是n77(3.3到4.2GHz)、n78(3.3到3.8GHz)以及n79(4.4到5GHz)。如果需要設計可支援全世界所有4G及5G頻段的天線，會需要一個多頻段天線，而表1為一個五頻段天線的共振模態及頻寬的規畫範例，此天線的第一個頻段需要能包含5G的n71(617到698MHz)到n8(880到960MHz)，表示此天線最低頻的共振模態的比例頻寬大約為43.5%，依據筆者的設計經驗，小於1GHz的頻段不太適合以多模態的方式完成，除了因為在此頻率範圍中，模態與模態之間的阻抗適配極為挑戰之外，往往也沒有額外的天線面積去設計出第二個小於1GHz的共振路徑。但若以單模態要達到40%左右的比例頻寬，以平面導F天線(PIFA)或是多路徑耦合的天線都會需要極大的天線面積，所以比較建議的方法是設計頻率可調的天線，利用開關式或是電容可調式的天線調整器(Antenna Tuner)，調整共振路徑或是適當改變共振邊界條件，讓共振頻率能夠隨著天線調整器的不同組態變化。
天線調整器於全頻段需反覆驗證
但天線調整器也並非萬能，除了會引入額外的介入損失(Insertion Loss)之外，在多頻段天線中，其他模態的共振頻率也往往會因為第一模態的共振路徑或是邊界條件改變而被影響，或是原先的阻抗適配被破壞，進而影響天線效率。而多載波聚合(Carrier Aggregation, CA)的總吞吐傳輸量，對於不同頻段間的天線效率差值亦十分敏感，各家電信業者亦有其規範，所以天線調整器在天線線路中的位置以及其頻率調整的機制都需要仔細設計，並且也要針對全頻段的天線效率反覆驗證。
根據表1中的頻段分配及比例頻寬的需求，第四頻段為5G相較4G所新增的3.5GHz頻段，因為地處較高的頻率，所以在天線設計上，也往往可以用第一及第二頻段的倍頻共振設計，或是加入額外的耦合短枝延伸頻寬。但以實際設計經驗來說，若只用兩到三個倍頻模態設計此頻段，往往會遇到天線的輻射頻率不佳，以及位在模態交界處的頻率有較差的阻抗適配，所以如何加入若干的耦合短枝在適當的天線線路中是此頻段的設計挑戰。讀者或許會好奇天線調整器是否亦可應用在此頻段設計，但因為操作頻率已經較高，所以相較第一頻段，天線調整器的介入損失也往往較大，所以除非可用的天線面積極為受限，或是倍頻模態有極好的輻射效率可以承受額外的介入損失，否則天線調整器在第四頻段的設計上是較少被使用的。
除了FR1(sub-6)的天線之外，另外一個就是支援FR2頻段的天線，也就是近幾年來引起熱烈討論的毫米波(millimeter Wave, mmWave)天線。因為毫米波頻段的路徑損耗非常大，可傳輸的距離相較sub-6也較短，所以無論傳送及接受端都需要利用相位可調的陣列天線達到波束成形(Beamforming)及高指向性的傳輸特性，才能將毫米波頻段應用在點對點或是視距傳輸(Line-of-Sight Transmission)的使用者情境中。
以第一代支援5G行動通訊的消費型電子產品來說，包括手機、平板或是筆記型電腦，毫米波的相位陣列天線都是以模組化的型式開發，並且由5G系統晶片商提供完整的射頻及基頻的整合特性，以求波束成形的效果在不同產品中能夠被精準調校。而FR1的天線，往往都是由各個電子系統大廠或是品牌公司針對不同產品客製化開發，因此第一代商用的5G毫米波天線模組就缺少客製化的彈性，會限制諸多消費型電子產品開發，或在產品的規格與外觀之間有所妥協。
筆電通訊模組統一介面反失彈性
在筆記型電腦中的無線通訊硬體設計，為了要能達到具經濟效益的開發，例如降低硬體開發的複雜度、減少單一產品開發時間及各國電磁安全法規的認證時程，電腦大廠多半都會先整合基頻及射頻模組，開發單一的行動通訊模組，且實體介面都統一為M.2介面，如圖1所示。所以此通訊模組將可以大量被使用在不同的產品中，達到經濟性產品開發的目的。
圖1 統一介面的行動通訊模組
但此做法亦喪失一些筆電天線設計上的彈性，以5G行動通訊為例，大多的頻段都要能夠支援4×4 MIMO，故需要在產品中設計四根天線，但這四根天線個別支援的頻段在不同的筆電中必須完全相同，包含天線的效能規格也必須接近，因為這些筆電都是使用同一個行動通訊模組。不過若手機在不同產品中可彈性針對每根天線所支援的頻段，以及調整效能規格，可進而最佳利用天線空間。此外，行動通訊模組跟天線之間也仍需要同軸電纜連接，所以相較手機，筆記型電腦擁有較大的尺寸，所需的同軸電纜長度亦較長，而帶來更多電纜損耗。
以上概述筆記型電腦在5G行動通訊天線的技術挑戰，接下來以產品設計的角度來探討5G行動通訊天線在現今主流旗艦筆記型電腦中所遇到的困境。
筆電天線應用百百種
現今消費性電子產品的設計都不斷強調高屏占比(Screen-to-body Ratio, STBR)或全屏占比的使用者體驗，並多以金屬機身訴求高階產品的造型特徵。以一台支援4G行動通訊跟Wi-Fi的筆電天線為例，圖2為早期筆電天線的擺放位置，而當高屏占比或是全屏占比的設計套入此天線擺放位置，讀者可以直接了解到天線可利用的寬度會被極端壓縮，縮小幅度甚至可超越50%。但從4G到5G行動通訊，FR1天線需要更大的頻寬包含5G新增的頻段，且要額外放入兩根筆電天線支援4×4 MIMO，最後還要放入多個毫米波陣列天線模組，兼顧5G FR1及FR2頻段的支援。
圖2 早期筆電天線配置示意圖
因此在5G行動通訊的筆電天線設計中，不單只會利用螢幕上方的空間，同樣也會將天線放在系統端，也就是鍵盤跟觸控板的四周，最佳化利用整個筆記型電腦的內部設計空間。而根據整個通訊硬體設計考量以及使用者體驗，系統端的天線空間如圖3可以略分為四大區域。
圖3 系統端天線空間配置區域劃分
天線布局與雜訊比息息相關
區域一為鍵盤前方，放在此區域的天線往往可以有最短的同軸電纜連接到行動通訊模組，所以電纜損耗幾乎是最少的，但也因為天線會十分靠近主機板，例如中央處理器及記憶體，所以如果抑制雜訊的電子及機關設計過少或是設計不良時，即便天線有極佳的效率，接收訊號的雜訊比也會過大，而對實際的總吞吐量及使用者體驗產生影響。
區域二為鍵盤兩側，而此區域在筆電中多保留給各種輸出入端的接口或是插頭，例如電源接口—USB、HDMI、Type-C或是SD卡，本來就不容易獲得完整的天線空間，而且跟區域一有一樣的問題就是接收的訊號的雜訊比可能會過大。略微不同的是，這邊的雜訊來源主要是當這些輸出入端有接上其他裝置並進行資料傳輸時才會產生，雖不至於隨時對使用者體驗產生影響，但在整體考量下，仍是一個不理想的天線設計區域。倘若無法取得其他天線設計區域時，在天線設計的初期，若能整體考量臨近天線輸出入裝置的時脈或資料傳輸速率，預先做好雜訊的評估以及加入額外雜訊抑制設計，仍不失為一個可行的做法。
區域三的天線已經跟主機板以及筆電兩端的輸出入端保持一定的距離，所以雜訊對天線的影響已經降低許多。而在現行的筆電設計下，區域三多為音箱以及電池塑膠外框的延伸空間，因此若能在產品的設計初期預先規畫跟音箱或是塑膠外框共構的天線結構或是商討妥協方案，取得足夠天線空間，以無線通訊硬體設計的觀點，此區域有機會設計出整體效能理想的天線。但不可忽略的是，一般使用者在執行文書處理的時候，區域三的天線有可能被雙手少部分地覆蓋，導致些微的頻偏或是效率減損，故在天線的選擇上就要多嘗試，以降低手導致的效應。
當一般使用者在執行文書處理的時候，觸控板下方的區域四會幾乎完全被手腕覆蓋，所以設計在此區域的天線會有最嚴重的效應，但接收訊號受到系統雜訊的影響幾乎是最小的。故若將天線設計在區域四，就必須在天線的選擇或是頻段的規畫上預先評估，例如將副天線(Auxiliary Antenna)或是分集天線(Diversity Antenna)設計在此區域，降低手覆蓋對整體通訊鏈路的影響。
以上這四個區域加上螢幕上方的空間，是根據現行筆電產品設計經驗所歸納的觀點，但依照每一台筆電所使用的機殼材料、造型設計、螢幕大小及屏占比要求等略有不同，並不會將所有區域都放入一開始的評估中。以惠普電腦在2020年度量產的兩台旗艦機種—Elite Dragonfly及Spectre x360為例，若將支援行動通訊的天線放置在螢幕上方、區域三以及區域四，可讓天線都能夠遠離系統雜訊，提高雜訊比，並提升使用者體驗。
本文從技術角度先探討現行的5G行動通訊對筆電天線設計所帶來的挑戰，從5G頻段的分析對應的多頻段天線設計到天線調整器的設計要點，以及筆電天線跟通訊模組的整合，讓天線研發人員能以架構性的觀點思考如何設計一個支援全頻段的5G天線，並能應用在筆電或是平板相關的產品中；後半段則是從產品設計的觀點，討論筆電中不同的天線位置對整體無線通訊效能或是使用者體驗的影響，讓天線研發人員能以宏觀的角度了解，當所設計的天線要運用在支援5G行動通訊的筆電中，可能會遇到的天線布局，進而去思考研發出的天線會有怎樣的特性或優缺點，能夠在不同布局中發揮最好的天線效能。
(本文作者陳士元為台大電機系專任教授；賴建伯任職於惠普電腦)