過(guò)去二十年，我們見(jiàn)證了移動(dòng)通信從1G到4G LTE的轉變。在這期間，通信的關(guān)鍵技術(shù)在發(fā)生變化，處理的信息量成倍增長(cháng)。而天線(xiàn)，是實(shí)現這一跨越式提升不可或缺的組件。

 

 

按照業(yè)界的定義，天線(xiàn)是一種變換器，它把傳輸線(xiàn)上傳播的導行波變換成在無(wú)界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換，也就是發(fā)射或接收電磁波。通俗點(diǎn)說(shuō)，無(wú)論是基站還是移動(dòng)終端，天線(xiàn)都是充當發(fā)射信號和接收信號的中間件。

 

現在，下一代通信技術(shù)——5G已經(jīng)進(jìn)入了標準制定階段的尾聲，各大運營(yíng)商也正在積極地部署5G設備。毋庸置疑，5G將給用戶(hù)帶來(lái)全新的體驗，它擁有比4G快十倍的傳輸速率，對天線(xiàn)系統提出了新的要求。在5G通信中，實(shí)現高速率的關(guān)鍵是毫米波以及波束成形技術(shù)，但傳統的天線(xiàn)顯然無(wú)法滿(mǎn)足這一需求。

 

5G通信到底需要什么樣的天線(xiàn)？這是工程開(kāi)發(fā)人員需要思考的問(wèn)題。為此雷鋒網(wǎng)IoT科技評論邀請了新加坡國立大學(xué)終身教授、IEEE Fellow陳志寧為大家講解5G移動(dòng)通信中的未來(lái)天線(xiàn)技術(shù)。

 

移動(dòng)通信基站天線(xiàn)的演進(jìn)及趨勢

 

基站天線(xiàn)是伴隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )通信發(fā)展起來(lái)的，工程人員根據網(wǎng)絡(luò )需求來(lái)設計不同的天線(xiàn)。因此，在過(guò)去幾代移動(dòng)通信技術(shù)中，天線(xiàn)技術(shù)也一直在演進(jìn)。

 

 

第一代移動(dòng)通信幾乎用的都是全向天線(xiàn)，當時(shí)的用戶(hù)數量很少，傳輸的速率也較低，這時(shí)候還屬于模擬系統。

 

到了第二代移動(dòng)通信技術(shù)，我們才進(jìn)入了蜂窩時(shí)代。這一階段的天線(xiàn)逐漸演變成了定向天線(xiàn)，一般波瓣寬度包含60°和90°以及120°。以120°為例，它有三個(gè)扇區。

 

八十年代的天線(xiàn)還主要以單極化天線(xiàn)為主，而且已經(jīng)開(kāi)始引入了陣列概念。雖然全向天線(xiàn)也有陣列，但只是垂直方向的陣列，單極化天線(xiàn)就出現了平面和方向性的天線(xiàn)。從形式來(lái)看，現在的天線(xiàn)和第二代的天線(xiàn)非常相似。

 

1997年，雙極化天線(xiàn)（±45°交叉雙極化天線(xiàn)）開(kāi)始走上歷史舞臺。這時(shí)候的天線(xiàn)性能相比上一代有了很大的提升，不管是3G還是4G，主要潮流都是雙極化天線(xiàn)。

 

到了2.5G和3G時(shí)代，出現了很多多頻段的天線(xiàn)。因為這時(shí)候的系統很復雜，例如GSM、CDMA等等需要共存，所以多頻段天線(xiàn)是一個(gè)必然趨勢。為了降低成本以及空間，多頻段在這一階段成為了主流。

 

到了2013年，我們首次引入了MIMO（多入多出技術(shù)，Multiple-Input Multiple-Output）天線(xiàn)系統。最初是4×4 MIMO天線(xiàn)。

 

MIMO技術(shù)提升了通信容量，這時(shí)候的天線(xiàn)系統就進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，也就是從最初的單個(gè)天線(xiàn)發(fā)展到了陣列天線(xiàn)和多天線(xiàn)。

 

但是，現在我們需要把目光投向遠方，5G的部署工作已經(jīng)啟動(dòng)了，天線(xiàn)技術(shù)在5G會(huì )扮演一個(gè)什么樣的角色，5G對天線(xiàn)設計會(huì )產(chǎn)生什么影響？這是我們需要探索的問(wèn)題。

 

過(guò)去天線(xiàn)的設計通常很被動(dòng)：系統設計完成后再提指標來(lái)定制天線(xiàn)。不過(guò)5G現在的概念仍然不明確，做天線(xiàn)設計的研發(fā)人員需要提前做好準備，為5G通信系統提供解決方案，甚至通過(guò)新的天線(xiàn)方案或者技術(shù)來(lái)影響5G的標準定制以及發(fā)展。

 

 

從過(guò)去幾年和移動(dòng)通信公司的合作交流經(jīng)驗來(lái)看，未來(lái)基站天線(xiàn)有兩大趨勢。

 

第一是從無(wú)源天線(xiàn)到有源天線(xiàn)系統。

 

這就意味著(zhù)天線(xiàn)可能會(huì )實(shí)現智能化、小型化（共設計）、定制化。

 

因為未來(lái)的網(wǎng)絡(luò )會(huì )變得越來(lái)越細，我們需要根據周?chē)膱?chǎng)景來(lái)進(jìn)行定制化的設計，例如在城市區域內布站會(huì )更加精細，而不是簡(jiǎn)單的覆蓋。5G通信將會(huì )應用高頻段，障礙物會(huì )對通信產(chǎn)生很大的影響，定制化的天線(xiàn)可以提供更好的網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量。

 

第二個(gè)趨勢是天線(xiàn)設計的系統化和復雜化。

 

例如波束陣列（實(shí)現空分復用）、多波束以及多/高頻段。這些都對天線(xiàn)提出了很高的要求，它會(huì )涉及到整個(gè)系統以及互相兼容的問(wèn)題，在這種情況下天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進(jìn)入了系統的設計。

 

 

天線(xiàn)技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程：最早從單個(gè)陣列的天線(xiàn)，到多陣列再到多單元，從無(wú)源到有源的系統，從簡(jiǎn)單的MIMO到大規模MIMO系統，從簡(jiǎn)單固定的波束到多波束。

 

設計層面的趨勢

 

 

對于基站而言，天線(xiàn)設計的一大原則就是小型化。

 

不同系統的天線(xiàn)是設計在一起的，為了降低成本、節省空間就要做得足夠小，所以就需要天線(xiàn)是多頻段、寬頻段、多波束、MIMO/Massive MIMO，MIMO對天線(xiàn)的隔離度。Massive MIMO對天線(xiàn)的混互耦都有一些特殊的要求。

 

另外，天線(xiàn)還需要可調諧。

 

第一代天線(xiàn)是靠機械來(lái)實(shí)現傾角，第三代實(shí)現了遠程的電調，5G如果能實(shí)現自調諧，是非常有吸引力的。

 

 

對于移動(dòng)終端而言，對天線(xiàn)的要求也是小型化、多頻段、寬頻段、可調諧。雖然這些特性現在也有，但5G的要求會(huì )更加苛刻。

 

除此之外，5G移動(dòng)通信的天線(xiàn)還面臨了一個(gè)新的問(wèn)題——共存。

 

實(shí)現Massive MIMO，收發(fā)都需要多天線(xiàn)，也就是同頻多天線(xiàn)（8天線(xiàn)、16天線(xiàn)...）。這樣的多天線(xiàn)系統給終端帶來(lái)最大的挑戰就是共存問(wèn)題。

 

怎樣降低相互之間的影響以耦合，如何增加信道的隔離度....這對5G終端天線(xiàn)提出了新的要求。

 

具體來(lái)說(shuō)會(huì )涉及以下三點(diǎn)：

 

1.降低相互的影響，特別是不同功能模塊，不同頻段之間的互相干擾，之前學(xué)術(shù)界認為不會(huì )存在這種情況，但在工業(yè)界確實(shí)存在這個(gè)問(wèn)題；

 

2.去耦，在MIMO系統里面，天線(xiàn)的互耦不僅僅會(huì )降低信道的隔離度，還會(huì )降低整個(gè)系統的輻射效率。另外，我們不能指望完全依賴(lài)于高頻段毫米波來(lái)解決性能上的增長(cháng)，例如25GHz、28GHz...60GHz都存在系統上的問(wèn)題；

 

3.去相關(guān)性，這一點(diǎn)可以從天線(xiàn)和電路設計配合來(lái)解決，不過(guò)通過(guò)電路來(lái)解決方案帶寬非常受限，很難滿(mǎn)足所有頻段的帶寬。

 

5G系統的天線(xiàn)技術(shù)

 

這包括單個(gè)天線(xiàn)的設計以及系統層面上的技術(shù)，系統層面的上文有提到，例如多波束、波束成形、有源天線(xiàn)陣、Massive MIMO等。

 

 

從具體天線(xiàn)設計來(lái)看，超材料為基礎的概念發(fā)展出來(lái)的技術(shù)將會(huì )大有裨益。目前超材料已經(jīng)在3G和4G上取得了成功，例如實(shí)現了小型化、低輪廓、高增益和款頻段。

 

第二個(gè)是，襯底或者封裝集成天線(xiàn)。這些天線(xiàn)主要用在頻率比較高的頻段，也就是毫米波頻段。雖然高頻段的天線(xiàn)尺寸很小，但天線(xiàn)本身的損耗非常大，所以在終端上最好把天線(xiàn)和襯底集成或者更小的封裝集成。

 

第三個(gè)是電磁透鏡。透鏡主要應用于高頻段，當波長(cháng)非常小的時(shí)候，放上一個(gè)介質(zhì)可以去到聚焦的作用，高頻天線(xiàn)體積并不大，但是微波段的波長(cháng)很長(cháng)，這就導致透鏡很難使用，體積會(huì )很大。

 

第四個(gè)是MEMS的應用。在頻率很低的時(shí)候，MEMS可以用作開(kāi)關(guān)，在手機終端，如果能對天線(xiàn)進(jìn)行有效的控制、重構，就可以實(shí)現一個(gè)天線(xiàn)多用。

 

 

以電磁透鏡為例，這一設計引進(jìn)了一個(gè)概念：在多單元的天線(xiàn)陣列前面放了一個(gè)電磁透鏡（這里指應用于微波或毫米波低端頻段的透鏡，與傳統光學(xué)透鏡不同），當光從某一個(gè)角度入射后，就會(huì )在某一個(gè)焦平面上產(chǎn)生斑點(diǎn)，這個(gè)斑點(diǎn)上就集中了大量的能力，這就意味著(zhù)在很小的區域內把整個(gè)能力的主要部分接收下來(lái)。

 

 

當入射方向變化，斑點(diǎn)在焦平面上的位置也會(huì )發(fā)生變化。如上圖，當角度正投射的時(shí)候，產(chǎn)生了黑顏色的能量分布，如果是按照某個(gè)角度θ入射（紅顏色），主要能量就偏離了黑顏色區域。

 

用這個(gè)概念可以區分能量是從哪里來(lái)的，入射的方向和能量在陣列上或者焦平面上的位置是一一對應的。反之，在不同的位置激勵天線(xiàn)，天線(xiàn)就會(huì )輻射不同的方向，這也是一一對應的。

 

如果用多個(gè)單元在焦平面上輻射，就可以產(chǎn)生多個(gè)載波束的輻射，也就是所謂的波束成形；如果在這些波束之間進(jìn)行切換，就出現波束掃描的現象；如果這些天線(xiàn)同時(shí)用，就可以實(shí)現Massive MIMO。這個(gè)陣列可以很大，但在每個(gè)波束上只要用很少的陣列就可以實(shí)現高增益的輻射。

 

普通的陣列如果有同樣大小的口徑，每次收到的能量是要所有的單元必須在這個(gè)區域內接收能量，如果在很大區域只放一個(gè)單元收到的能量只是非常小的一部分；和普通陣列不同的是，同樣的口徑在沒(méi)有任何損耗的情況下，只用很少的單元就可以接收到所有的能量，不同的角度進(jìn)來(lái)，這些能量可以被不同的地方同時(shí)接收。

 

這大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統，如果每次工作只有一個(gè)方向的時(shí)候，只要一個(gè)局部的天線(xiàn)工作就可以，這就減少了同時(shí)工作天線(xiàn)的個(gè)數。而子陣的概念不同，它是讓局部多天線(xiàn)構成子陣，這時(shí)候通道數是隨著(zhù)子陣單元數的增加而減少的。例如10×10的陣列，如果用5×5變成子陣的話(huà)，那么就變成了只有四個(gè)獨立的通道，整個(gè)信道數也就減少了。

 

上圖右側顯示的是在基帶上算出來(lái)透鏡對系統的影響，水平方向是天線(xiàn)個(gè)數，假設水平方向上一個(gè)線(xiàn)陣有20個(gè)單元，用透鏡的情況下，只用5個(gè)單元去接受被聚焦后的能量比不用透鏡全部20個(gè)單元都用上的效果要更好，前者的通信質(zhì)量更高以及成本、功耗更低。即便是最糟糕的情況，波從所有方向入射，這20個(gè)單元都用上和后者的效果也是一樣的。所以用透鏡可以改善天線(xiàn)的性能——用少量天線(xiàn)個(gè)數，達到以往大型陣列的效果。

 

 

從這張PPT可以看出，用電磁透鏡可以降低成本、降低復雜度、增加輻射效率，還可以增加天線(xiàn)陣列的濾波特性（屏蔽干擾信號）等等。

 

 

這張PPT展示的是用在28GHz毫米波頻段上的天線(xiàn)，并且用了7個(gè)單元天線(xiàn)作為饋源。

 

如左側所示，前面的透鏡是用超材料制成的屏幕透鏡，用兩層PCB刻成不同的形狀進(jìn)行相位的調整，以實(shí)現特定方向的聚焦。右側可以看出7個(gè)輻射單元性能，波瓣寬度是6.8°，旁瓣是18dB以下，增益是24-25dB。

 

這一實(shí)驗驗證了電磁透鏡在基站上的應用，同時(shí)也驗證了超材料技術(shù)在天線(xiàn)小型化的作用。

 

毫米波的天線(xiàn)設計

 

眾所周知，5G將會(huì )擁有低頻段和毫米波兩個(gè)頻段，而毫米波的波長(cháng)很短損耗很大，所以在5G通信里面，我們必須解決這一問(wèn)題。

 

 

第一個(gè)方案是，襯底集成天線(xiàn)（substrate integrated antenna，即SIA）。

 

這種天線(xiàn)主要基于兩個(gè)技術(shù)：空波導傳輸的時(shí)候介質(zhì)帶來(lái)的損耗很小，所以可以用空波導來(lái)進(jìn)行饋源傳輸。但這存在幾個(gè)問(wèn)題，因為是空氣波導，尺寸非常大，而且無(wú)法和其它電路集成，所以比較適合高功率、大體積的應用場(chǎng)景；另一個(gè)是微帶線(xiàn)技術(shù)，它可以大規模生產(chǎn)，但它本身作為傳輸介質(zhì)的損耗很大，而且很難構成大規模天線(xiàn)陣列。

 

基于這兩個(gè)技術(shù)就可以產(chǎn)生襯底集成的波導技術(shù)。這一技術(shù)最早由日本工業(yè)界提出來(lái)，他們在1998年發(fā)表了第一篇關(guān)于介質(zhì)集成的波導結構論文，提到了在很薄的介質(zhì)襯底上實(shí)現波導，用小柱子擋住電磁波，避免沿著(zhù)兩邊擴。這不難理解，當兩個(gè)小柱子的間距小魚(yú)四分之一波長(cháng)的時(shí)候，能量就不會(huì )泄露出去，這就可以形成高效率、高增益、低輪廓、低成本、易集成、低損耗的天線(xiàn)。

 

上圖右下方是利用這一技術(shù)在LTCC上做出來(lái)的60GHz的天線(xiàn)，增益達到了25dB，尺寸8×8單元。

 

這一方案是適合于毫米波在基站上的應用，在移動(dòng)終端上有另外一種方案。

 

 

第二個(gè)解決方案是把天線(xiàn)設計在封裝(package integrated antenna，即PIA)。

 

因為天線(xiàn)在芯片上最大的問(wèn)題就是損耗太大，而且芯片本身的尺寸很小，把天線(xiàn)設計進(jìn)去會(huì )增加成本，所以在工程上幾乎無(wú)法得到大規模應用。如果用封裝（尺寸比芯片大）作為載體來(lái)設計天線(xiàn)，不僅能設計出單個(gè)天線(xiàn)，還能設計天線(xiàn)陣列，這就避免了硅上直接做天線(xiàn)在體積、損耗和成本上的限制。

 

另外有一點(diǎn)需要注意的問(wèn)題是，能否用PCB板做天線(xiàn)？答案是肯定的。

 

關(guān)鍵的瓶頸并不是材料自身，而是材料帶來(lái)的設計問(wèn)題和加工上的問(wèn)題。不過(guò)PCB只適合在60GHz以下的頻段，在60GHz以后推薦用LTCC，但到200GHz后，LTCC也存在瓶頸。

 

 

總結

 

未來(lái)天線(xiàn)必須要和系統一起設計而不是單獨設計，甚至可以說(shuō)天線(xiàn)將會(huì )成為5G的一個(gè)瓶頸，如果不突破這一瓶頸，系統上的信號處理都無(wú)法實(shí)現，所以天線(xiàn)已經(jīng)成為5G移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)。天線(xiàn)不只是一個(gè)輻射器，它有濾波特性、放大作用、抑制干擾信號，它不需要能量來(lái)實(shí)現增益，因此天線(xiàn)不僅僅是一個(gè)器件。

 

精彩問(wèn)答

 

Q：國內做得好的天線(xiàn)企業(yè)有哪些？5G產(chǎn)業(yè)鏈的配套是否已經(jīng)準備好？

 

A：國內有很多領(lǐng)先的天線(xiàn)企業(yè)，全世界最好的基站天線(xiàn)廠(chǎng)商十有七八在中國，其它幾家外資企業(yè)的工廠(chǎng)也在中國。5G現在有很多方案，我們不確定哪一個(gè)會(huì )最終被使用，但從目前來(lái)說(shuō)，現有的器件基本都能滿(mǎn)足要求。

 

Q：在未來(lái)的5G終端上，天線(xiàn)位置的設計需要遵循什么原則？

 

A：未來(lái)5G終端上到底有多少位置可以給我們部署天線(xiàn)是個(gè)問(wèn)題。目前，天線(xiàn)的設計還是跟著(zhù)系統走，系統設計好了，才會(huì )考慮到天線(xiàn)的位置。從技術(shù)角度來(lái)講，離設備頭部越遠越好，目前手機上一般都是雙天線(xiàn)，主天線(xiàn)一般是在下半部，因為頭對能量有吸收遮擋；另外，天線(xiàn)之間盡量共用，減少天線(xiàn)占用的空間；第三個(gè)是多天線(xiàn)系統，原則上是越遠越好，但是面積有限，需要靠空間分集、極化分集，盡量減少天線(xiàn)之間的相關(guān)性。

 

Q：有一種說(shuō)法是，5G天線(xiàn)就是陣列貼片，陳教授怎么看？

 

A：如果僅僅是陣列貼片，那整個(gè)5G的挑戰就會(huì )大大減少，但這要看具體應用。5G通信最低的頻段是3GHz，這和LTE相差無(wú)幾，還是要用陣子天線(xiàn)。如果超過(guò)5GHz，可以用陣子或者貼片，但是到28GHz以后用貼片更適合，但也可以用透鏡天線(xiàn)、波導縫隙天線(xiàn)，因為高頻波導的傳輸的歐姆損耗是比較小的，所以從整個(gè)系統的效率來(lái)看，用波導天線(xiàn)也是有可能的。如果僅限于某種形式的天線(xiàn)，會(huì )限制天線(xiàn)發(fā)揮的空間

 

來(lái)自：硬創(chuàng )公開(kāi)課

 

 

推薦閱讀：