過去二十年，我們見證了移動通信從1G到4G LTE的轉變。在這期間，通信的關鍵技術在發生變化
，處理的信息量成倍增長。而天線
，是實現這一跨越式提升不可或缺的組件。

 

 

按照業界的定義，天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波變換成在無界媒介（通常是自由空間）zhongchuanbodediancibo，huozhejinxingxiangfandebianhuan，yejiushifashehuojieshoudiancibo。tongsudianshuo，wulunshijizhanhaishiyidongzhongduan，tianxiandoushichongdangfashexinhaohejieshouxinhaodezhongjianjian。

 

現在
，下一代通信技術——5G已經進入了標準製定階段的尾聲，各大運營商也正在積極地部署5G設備。毋庸置疑，5G將給用戶帶來全新的體驗，它擁有比4G快十倍的傳輸速率，對天線係統提出了新的要求。在5G通信中，實現高速率的關鍵是毫米波以及波束成形技術
，但傳統的天線顯然無法滿足這一需求。

 

5G通信到底需要什麼樣的天線？這是工程開發人員需要思考的問題。為此雷鋒網IoT科技評論邀請了新加坡國立大學終身教授、IEEE Fellow陳誌寧為大家講解5G移動通信中的未來天線技術。

 

移動通信基站天線的演進及趨勢

 

基(ji)站(zhan)天(tian)線(xian)是(shi)伴(ban)隨(sui)著(zhe)網(wang)絡(luo)通(tong)信(xin)發(fa)展(zhan)起(qi)來(lai)的(de)，工(gong)程(cheng)人(ren)員(yuan)根(gen)據(ju)網(wang)絡(luo)需(xu)求(qiu)來(lai)設(she)計(ji)不(bu)同(tong)的(de)天(tian)線(xian)。因(yin)此(ci)，在(zai)過(guo)去(qu)幾(ji)代(dai)移(yi)動(dong)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)中(zhong)
，天(tian)線(xian)技(ji)術(shu)也(ye)一(yi)直(zhi)在(zai)演(yan)進(jin)。

 

 

第一代移動通信幾乎用的都是全向天線，當時的用戶數量很少
，傳輸的速率也較低，這時候還屬於模擬係統。

 

到了第二代移動通信技術，我們才進入了蜂窩時代。這一階段的天線逐漸演變成了定向天線
，一般波瓣寬度包含60°和90°以及120°。以120°為例
，它有三個扇區。

 

八(ba)十(shi)年(nian)代(dai)的(de)天(tian)線(xian)還(hai)主(zhu)要(yao)以(yi)單(dan)極(ji)化(hua)天(tian)線(xian)為(wei)主(zhu)，而(er)且(qie)已(yi)經(jing)開(kai)始(shi)引(yin)入(ru)了(le)陣(zhen)列(lie)概(gai)念(nian)。雖(sui)然(ran)全(quan)向(xiang)天(tian)線(xian)也(ye)有(you)陣(zhen)列(lie)，但(dan)隻(zhi)是(shi)垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)的(de)陣(zhen)列(lie)，單(dan)極(ji)化(hua)天(tian)線(xian)就(jiu)出(chu)現(xian)了(le)平(ping)麵(mian)和(he)方(fang)向(xiang)性(xing)的(de)天(tian)線(xian)。從(cong)形(xing)式(shi)來(lai)看(kan)


，現(xian)在(zai)的(de)天(tian)線(xian)和(he)第(di)二(er)代(dai)的(de)天(tian)線(xian)非(fei)常(chang)相(xiang)似(si)。

 

1997年，雙極化天線（±45°交叉雙極化天線）開始走上曆史舞台。這時候的天線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。

 

到了2.5G和3G時代，出現了很多多頻段的天線。因為這時候的係統很複雜，例如GSM、CDMA等等需要共存，所以多頻段天線是一個必然趨勢。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
，Multiple-Input Multiple-Output）天線係統。最初是4×4 MIMO天線。

 

MIMO技術提升了通信容量
，這時候的天線係統就進入了一個新的時代

，也就是從最初的單個天線發展到了陣列天線和多天線。

 

但是
，現在我們需要把目光投向遠方，5G的部署工作已經啟動了，天線技術在5G會扮演一個什麼樣的角色，5G對天線設計會產生什麼影響？這是我們需要探索的問題。

 

過去天線的設計通常很被動：係統設計完成後再提指標來定製天線。不過5G現在的概念仍然不明確，做天線設計的研發人員需要提前做好準備，為5G通信係統提供解決方案
，甚至通過新的天線方案或者技術來影響5G的標準定製以及發展。

 

 

從過去幾年和移動通信公司的合作交流經驗來看
，未來基站天線有兩大趨勢。

 

第一是從無源天線到有源天線係統。

 

這就意味著天線可能會實現智能化、小型化（共設計）、定製化。

 

因yin為wei未wei來lai的de網wang絡luo會hui變bian得de越yue來lai越yue細xi，我wo們men需xu要yao根gen據ju周zhou圍wei的de場chang景jing來lai進jin行xing定ding製zhi化hua的de設she計ji，例li如ru在zai城cheng市shi區qu域yu內nei布bu站zhan會hui更geng加jia精jing細xi，而er不bu是shi簡jian單dan的de覆fu蓋gai。5G通信將會應用高頻段
，障礙物會對通信產生很大的影響，定製化的天線可以提供更好的網絡質量。

 

第二個趨勢是天線設計的係統化和複雜化。

 

例如波束陣列（實現空分複用）、多波束以及多/高(gao)頻(pin)段(duan)。這(zhe)些(xie)都(dou)對(dui)天(tian)線(xian)提(ti)出(chu)了(le)很(hen)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)，它(ta)會(hui)涉(she)及(ji)到(dao)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)以(yi)及(ji)互(hu)相(xiang)兼(jian)容(rong)的(de)問(wen)題(ti)
，在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)天(tian)線(xian)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)超(chao)越(yue)了(le)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)概(gai)念(nian)，逐(zhu)漸(jian)進(jin)入(ru)了(le)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)。

 

 

天線技術的演進過程：最早從單個陣列的天線，到多陣列再到多單元，從無源到有源的係統，從簡單的MIMO到大規模MIMO係統，從簡單固定的波束到多波束。

 

設計層麵的趨勢

 

 

對於基站而言，天線設計的一大原則就是小型化。

 

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

 

另外，天線還需要可調諧。

 

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

 

 

對於移動終端而言，對天線的要求也是小型化、多頻段、寬頻段、可調諧。雖然這些特性現在也有
，但5G的要求會更加苛刻。

 

除此之外

，5G移動通信的天線還麵臨了一個新的問題——共存。

 

實現Massive MIMO，收發都需要多天線
，也就是同頻多天線（8天線、16天線...）。這樣的多天線係統給終端帶來最大的挑戰就是共存問題。

 

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終端天線提出了新的要求。

 

具體來說會涉及以下三點：

 

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幹擾，之前學術界認為不會存在這種情況，但在工業界確實存在這個問題；

 

2.去耦，在MIMOxitonglimian，tianxiandehuoubujinjinhuijiangdixindaodegelidu，haihuijiangdizhenggexitongdefushexiaolv。lingwai

，womenbunengzhiwangwanquanyilaiyugaopinduanhaomibolaijiejuexingnengshangdezengchang
，liru25GHz、28GHz...60GHz都存在係統上的問題；

 

3.去相關性
，這一點可以從天線和電路設計配合來解決
，不過通過電路來解決方案帶寬非常受限
，很難滿足所有頻段的帶寬。

 

5G係統的天線技術

 

這包括單個天線的設計以及係統層麵上的技術，係統層麵的上文有提到，例如多波束
、波束成形、有源天線陣、Massive MIMO等。

 

 

從具體天線設計來看

，超材料為基礎的概念發展出來的技術將會大有裨益。目前超材料已經在3G和4G上取得了成功
，例如實現了小型化、低輪廓、高增益和款頻段。

 

第(di)二(er)個(ge)是(shi)，襯(chen)底(di)或(huo)者(zhe)封(feng)裝(zhuang)集(ji)成(cheng)天(tian)線(xian)。這(zhe)些(xie)天(tian)線(xian)主(zhu)要(yao)用(yong)在(zai)頻(pin)率(lv)比(bi)較(jiao)高(gao)的(de)頻(pin)段(duan)，也(ye)就(jiu)是(shi)毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)段(duan)。雖(sui)然(ran)高(gao)頻(pin)段(duan)的(de)天(tian)線(xian)尺(chi)寸(cun)很(hen)小(xiao)，但(dan)天(tian)線(xian)本(ben)身(shen)的(de)損(sun)耗(hao)非(fei)常(chang)大(da)，所(suo)以(yi)在(zai)終(zhong)端(duan)上(shang)最(zui)好(hao)把(ba)天(tian)線(xian)和(he)襯(chen)底(di)集(ji)成(cheng)或(huo)者(zhe)更(geng)小(xiao)的(de)封(feng)裝(zhuang)集(ji)成(cheng)。

 

第(di)三(san)個(ge)是(shi)電(dian)磁(ci)透(tou)鏡(jing)。透(tou)鏡(jing)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)於(yu)高(gao)頻(pin)段(duan)，當(dang)波(bo)長(chang)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)時(shi)候(hou)
，放(fang)上(shang)一(yi)個(ge)介(jie)質(zhi)可(ke)以(yi)去(qu)到(dao)聚(ju)焦(jiao)的(de)作(zuo)用(yong)，高(gao)頻(pin)天(tian)線(xian)體(ti)積(ji)並(bing)不(bu)大(da)
，但(dan)是(shi)微(wei)波(bo)段(duan)的(de)波(bo)長(chang)很(hen)長(chang)
，這(zhe)就(jiu)導(dao)致(zhi)透(tou)鏡(jing)很(hen)難(nan)使(shi)用(yong)，體(ti)積(ji)會(hui)很(hen)大(da)。

 

第四個是MEMS的應用。在頻率很低的時候
，MEMS可以用作開關，在手機終端，如果能對天線進行有效的控製

、重構，就可以實現一個天線多用。

 

 

以電磁透鏡為例
，這一設計引進了一個概念：在多單元的天線陣列前麵放了一個電磁透鏡（這裏指應用於微波或毫米波低端頻段的透鏡，與傳統光學透鏡不同），當(dang)光(guang)從(cong)某(mou)一(yi)個(ge)角(jiao)度(du)入(ru)射(she)後(hou)，就(jiu)會(hui)在(zai)某(mou)一(yi)個(ge)焦(jiao)平(ping)麵(mian)上(shang)產(chan)生(sheng)斑(ban)點(dian)，這(zhe)個(ge)斑(ban)點(dian)上(shang)就(jiu)集(ji)中(zhong)了(le)大(da)量(liang)的(de)能(neng)力(li)，這(zhe)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)很(hen)小(xiao)的(de)區(qu)域(yu)內(nei)把(ba)整(zheng)個(ge)能(neng)力(li)的(de)主(zhu)要(yao)部(bu)分(fen)接(jie)收(shou)下(xia)來(lai)。

 

 

當dang入ru射she方fang向xiang變bian化hua，斑ban點dian在zai焦jiao平ping麵mian上shang的de位wei置zhi也ye會hui發fa生sheng變bian化hua。如ru上shang圖tu
，當dang角jiao度du正zheng投tou射she的de時shi候hou
，產chan生sheng了le黑hei顏yan色se的de能neng量liang分fen布bu


，如ru果guo是shi按an照zhao某mou個ge角jiao度duθ入射（紅顏色），主要能量就偏離了黑顏色區域。

 

用(yong)這(zhe)個(ge)概(gai)念(nian)可(ke)以(yi)區(qu)分(fen)能(neng)量(liang)是(shi)從(cong)哪(na)裏(li)來(lai)的(de)，入(ru)射(she)的(de)方(fang)向(xiang)和(he)能(neng)量(liang)在(zai)陣(zhen)列(lie)上(shang)或(huo)者(zhe)焦(jiao)平(ping)麵(mian)上(shang)的(de)位(wei)置(zhi)是(shi)一(yi)一(yi)對(dui)應(ying)的(de)。反(fan)之(zhi)，在(zai)不(bu)同(tong)的(de)位(wei)置(zhi)激(ji)勵(li)天(tian)線(xian)
，天(tian)線(xian)就(jiu)會(hui)輻(fu)射(she)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)向(xiang)
，這(zhe)也(ye)是(shi)一(yi)一(yi)對(dui)應(ying)的(de)。

 

如果用多個單元在焦平麵上輻射，就可以產生多個載波束的輻射，也就是所謂的波束成形
；如果在這些波束之間進行切換，就出現波束掃描的現象
；如果這些天線同時用，就可以實現Massive MIMO。這個陣列可以很大，但在每個波束上隻要用很少的陣列就可以實現高增益的輻射。

 

普pu通tong的de陣zhen列lie如ru果guo有you同tong樣yang大da小xiao的de口kou徑jing，每mei次ci收shou到dao的de能neng量liang是shi要yao所suo有you的de單dan元yuan必bi須xu在zai這zhe個ge區qu域yu內nei接jie收shou能neng量liang，如ru果guo在zai很hen大da區qu域yu隻zhi放fang一yi個ge單dan元yuan收shou到dao的de能neng量liang隻zhi是shi非fei常chang小xiao的de一yi部bu分fen；和(he)普(pu)通(tong)陣(zhen)列(lie)不(bu)同(tong)的(de)是(shi)，同(tong)樣(yang)的(de)口(kou)徑(jing)在(zai)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)損(sun)耗(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，隻(zhi)用(yong)很(hen)少(shao)的(de)單(dan)元(yuan)就(jiu)可(ke)以(yi)接(jie)收(shou)到(dao)所(suo)有(you)的(de)能(neng)量(liang)
，不(bu)同(tong)的(de)角(jiao)度(du)進(jin)來(lai)，這(zhe)些(xie)能(neng)量(liang)可(ke)以(yi)被(bei)不(bu)同(tong)的(de)地(di)方(fang)同(tong)時(shi)接(jie)收(shou)。

 

zhedadajianhualezhenggexitong，ruguomeicigongzuozhiyouyigefangxiangdeshihou，zhiyaoyigejubudetianxiangongzuojiukeyi，zhejiujianshaoletongshigongzuotianxiandegeshu。erzizhendegainianbutong，tashirangjubuduotianxiangouchengzizhen，zheshihoutongdaoshushisuizhezizhendanyuanshudezengjiaerjianshaode。liru10×10的陣列


，如果用5×5變成子陣的話
，那麼就變成了隻有四個獨立的通道

，整個信道數也就減少了。

 

上圖右側顯示的是在基帶上算出來透鏡對係統的影響，水平方向是天線個數，假設水平方向上一個線陣有20個單元，用透鏡的情況下，隻用5個單元去接受被聚焦後的能量比不用透鏡全部20個單元都用上的效果要更好
，前者的通信質量更高以及成本、功耗更低。即便是最糟糕的情況
，波從所有方向入射，這20個單元都用上和後者的效果也是一樣的。所以用透鏡可以改善天線的性能——用少量天線個數，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
、降低複雜度、增加輻射效率，還可以增加天線陣列的濾波特性（屏蔽幹擾信號）等等。

 

 

這張PPT展示的是用在28GHz毫米波頻段上的天線，並且用了7個單元天線作為饋源。

 

如左側所示，前麵的透鏡是用超材料製成的屏幕透鏡

，用兩層PCB刻成不同的形狀進行相位的調整，以實現特定方向的聚焦。右側可以看出7個輻射單元性能，波瓣寬度是6.8°，旁瓣是18dB以下
，增益是24-25dB。

 

這一實驗驗證了電磁透鏡在基站上的應用
，同時也驗證了超材料技術在天線小型化的作用。

 

毫米波的天線設計

 

眾所周知
，5G將會擁有低頻段和毫米波兩個頻段，而毫米波的波長很短損耗很大，所以在5G通信裏麵，我們必須解決這一問題。

 

 

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

 

這種天線主要基於兩個技術：kongbodaochuanshudeshihoujiezhidailaidesunhaohenxiao，suoyikeyiyongkongbodaolaijinxingkuiyuanchuanshu。danzhecunzaijigewenti
，yinweishikongqibodao，chicunfeichangda，erqiewufaheqitadianlujicheng
，suoyibijiaoshihegaogonglv
、大體積的應用場景；另一個是微帶線技術


，它可以大規模生產，但它本身作為傳輸介質的損耗很大，而且很難構成大規模天線陣列。

 

基於這兩個技術就可以產生襯底集成的波導技術。這一技術最早由日本工業界提出來，他們在1998年(nian)發(fa)表(biao)了(le)第(di)一(yi)篇(pian)關(guan)於(yu)介(jie)質(zhi)集(ji)成(cheng)的(de)波(bo)導(dao)結(jie)構(gou)論(lun)文(wen)，提(ti)到(dao)了(le)在(zai)很(hen)薄(bo)的(de)介(jie)質(zhi)襯(chen)底(di)上(shang)實(shi)現(xian)波(bo)導(dao)

，用(yong)小(xiao)柱(zhu)子(zi)擋(dang)住(zhu)電(dian)磁(ci)波(bo)
，避(bi)免(mian)沿(yan)著(zhe)兩(liang)邊(bian)擴(kuo)。這(zhe)不(bu)難(nan)理(li)解(jie)
，當(dang)兩(liang)個(ge)小(xiao)柱(zhu)子(zi)的(de)間(jian)距(ju)小(xiao)魚(yu)四(si)分(fen)之(zhi)一(yi)波(bo)長(chang)的(de)時(shi)候(hou)
，能(neng)量(liang)就(jiu)不(bu)會(hui)泄(xie)露(lu)出(chu)去(qu)，這(zhe)就(jiu)可(ke)以(yi)形(xing)成(cheng)高(gao)效(xiao)率(lv)、高增益、低輪廓、低成本、易集成、低損耗的天線。

 

上圖右下方是利用這一技術在LTCC上做出來的60GHz的天線，增益達到了25dB，尺寸8×8單元。

 

這一方案是適合於毫米波在基站上的應用，在移動終端上有另外一種方案。

 

 

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

 

yinweitianxianzaixinpianshangzuidadewentijiushisunhaotaida，erqiexinpianbenshendechicunhenxiao，batianxianshejijinquhuizengjiachengben，suoyizaigongchengshangjihuwufadedaodaguimoyingyong。ruguoyongfengzhuang（尺寸比芯片大）作為載體來設計天線
，不僅能設計出單個天線，還能設計天線陣列，這就避免了矽上直接做天線在體積、損耗和成本上的限製。

 

另外有一點需要注意的問題是，能否用PCB板做天線？答案是肯定的。

 

關鍵的瓶頸並不是材料自身，而是材料帶來的設計問題和加工上的問題。不過PCB隻適合在60GHz以下的頻段，在60GHz以後推薦用LTCC，但到200GHz後，LTCC也存在瓶頸。

 

 

總結

 

未來天線必須要和係統一起設計而不是單獨設計，甚至可以說天線將會成為5G的一個瓶頸，如果不突破這一瓶頸
，係統上的信號處理都無法實現，所以天線已經成為5G移動通信係統的關鍵技術。天線不隻是一個輻射器，它有濾波特性、放大作用

、抑製幹擾信號，它不需要能量來實現增益，因此天線不僅僅是一個器件。

 

精彩問答

 

Q：國內做得好的天線企業有哪些？5G產業鏈的配套是否已經準備好？

 

A：國內有很多領先的天線企業，全世界最好的基站天線廠商十有七八在中國，其它幾家外資企業的工廠也在中國。5G現在有很多方案，我們不確定哪一個會最終被使用
，但從目前來說
，現有的器件基本都能滿足要求。

 

Q：在未來的5G終端上
，天線位置的設計需要遵循什麼原則？

 

A：未來5G終(zhong)端(duan)上(shang)到(dao)底(di)有(you)多(duo)少(shao)位(wei)置(zhi)可(ke)以(yi)給(gei)我(wo)們(men)部(bu)署(shu)天(tian)線(xian)是(shi)個(ge)問(wen)題(ti)。目(mu)前(qian)，天(tian)線(xian)的(de)設(she)計(ji)還(hai)是(shi)跟(gen)著(zhe)係(xi)統(tong)走(zou)，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)好(hao)了(le)
，才(cai)會(hui)考(kao)慮(lv)到(dao)天(tian)線(xian)的(de)位(wei)置(zhi)。從(cong)技(ji)術(shu)角(jiao)度(du)來(lai)講(jiang)，離(li)設(she)備(bei)頭(tou)部(bu)越(yue)遠(yuan)越(yue)好(hao)
，目(mu)前(qian)手(shou)機(ji)上(shang)一(yi)般(ban)都(dou)是(shi)雙(shuang)天(tian)線(xian)，主(zhu)天(tian)線(xian)一(yi)般(ban)是(shi)在(zai)下(xia)半(ban)部(bu)，因(yin)為(wei)頭(tou)對(dui)能(neng)量(liang)有(you)吸(xi)收(shou)遮(zhe)擋(dang)；另外
，天線之間盡量共用，減少天線占用的空間；第三個是多天線係統，原則上是越遠越好
，但是麵積有限，需要靠空間分集、極化分集，盡量減少天線之間的相關性。

 

Q：有一種說法是
，5G天線就是陣列貼片，陳教授怎麼看？

 

A：如果僅僅是陣列貼片，那整個5G的挑戰就會大大減少，但這要看具體應用。5G通信最低的頻段是3GHz，這和LTE相差無幾，還是要用陣子天線。如果超過5GHz，可以用陣子或者貼片，但是到28GHz以後用貼片更適合，但也可以用透鏡天線
、波bo導dao縫feng隙xi天tian線xian，因yin為wei高gao頻pin波bo導dao的de傳chuan輸shu的de歐ou姆mu損sun耗hao是shi比bi較jiao小xiao的de，所suo以yi從cong整zheng個ge係xi統tong的de效xiao率lv來lai看kan，用yong波bo導dao天tian線xian也ye是shi有you可ke能neng的de。如ru果guo僅jin限xian於yu某mou種zhong形xing式shi的de天tian線xian，會hui限xian製zhi天tian線xian發fa揮hui的de空kong間jian

 

來自：硬創公開課

 

 

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