在過去的二十年里，我們見證了移動通信從1G向4G LTE的轉(zhuǎn)型。在此期間，通信的關(guān)鍵技術(shù)正在發(fā)生變化，處理的信息量成倍增加。天線是實(shí)現(xiàn)這種跨越式提升不可或缺的組成部分。

按照行業(yè)的定義，天線是一種換能器，它將在傳輸線路上傳播的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換成在無界介質(zhì)(通常在自由空之間)中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即發(fā)射或接收電磁波。一般來說，無論是基站還是移動終端，天線都充當(dāng)著收發(fā)信號的中間件。

現(xiàn)在，下一代通信技術(shù)——5G已經(jīng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)制定階段的尾聲，各大運(yùn)營商也在積極部署5G設(shè)備。毫無疑問，5G會給用戶帶來全新的體驗。它的傳輸速率比4G快十倍，這對天線系統(tǒng)提出了新的要求。在5G通信中，毫米波和波束形成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速的關(guān)鍵，但傳統(tǒng)天線顯然不能滿足這一要求。

5G通信需要什么樣的天線？這是工程開發(fā)人員需要思考的問題。因此，《雷鋒物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)評論》邀請了新加坡國立大學(xué)終身教授喬春明·陳志寧來解釋5G移動通信中的未來天線技術(shù)。

專家介紹

陳志寧:雙博士，新加坡國立大學(xué)終身教授，人，國際電工電子研究所天線與通信研究所杰出演講人；他目前是IEEE射頻識別委員會(CRFID)的副主席和杰出的發(fā)言人。他發(fā)表了500多篇科學(xué)論文，包括100多篇IEEE Trans，發(fā)表了5篇英文專著，擁有數(shù)十項國際天線專利和成功的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

以下內(nèi)容摘自陳教授的公開課:

移動通信基站天線的演進(jìn)及趨勢

基站天線是隨著網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展起來的，工程師根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求設(shè)計不同的天線。因此，在過去幾代移動通信技術(shù)中，天線技術(shù)一直在發(fā)展。

第一代移動通信幾乎使用全向天線。當(dāng)時用戶數(shù)量很少，傳輸速率很低。當(dāng)時還是模擬系統(tǒng)。

只有隨著第二代移動通信技術(shù)，我們才進(jìn)入蜂窩時代。在這個階段，天線逐漸演化為定向天線，波瓣寬度一般包括60°，90°，120°。以120為例，它有三個扇區(qū)。

20世紀(jì)80年代，天線主要是單極化天線，并引入了陣列的概念。雖然全向天線也有陣列，但是平面和定向天線只在垂直陣列中出現(xiàn)在單極化天線中。在形式上，現(xiàn)在的天線和第二代天線非常相似。

1997年，雙極化天線(45交叉雙極化天線)開始進(jìn)入歷史階段。此時的天線性能比上一代有了很大的提升，主要趨勢是雙極化天線，無論是3G還是4G。

在2.5G和3G時代，出現(xiàn)了很多多頻段天線。因為此時系統(tǒng)非常復(fù)雜，比如GSM、CDMA等需要共存，所以多頻段天線是必然趨勢。為了降低成本和空，現(xiàn)階段多頻段已經(jīng)成為主流。

2013年，我們首次推出了多輸入多輸出天線系統(tǒng)。本來是4×4的MIMO天線。

多輸入多輸出技術(shù)提高了通信容量，此時天線系統(tǒng)進(jìn)入了一個新的時代，即從最初的單天線到陣列天線和多天線。

但是現(xiàn)在需要看的遠(yuǎn)一點(diǎn)，5G的部署已經(jīng)開始了。5G中天線技術(shù)會起到什么作用，5G會對天線設(shè)計產(chǎn)生什么影響？這是我們需要探索的問題。

以前的天線設(shè)計通常是被動的:系統(tǒng)設(shè)計完成后，提升指標(biāo)定制天線。但5G的概念還不清楚，做天線設(shè)計的R&D人員需要提前做好準(zhǔn)備，為5G通信系統(tǒng)提供解決方案，甚至通過新的天線方案或技術(shù)影響5G的標(biāo)準(zhǔn)定制和開發(fā)。

從過去幾年與移動通信公司合作交流的經(jīng)驗來看，未來基站天線有兩大趨勢。

首先是從無源天線到有源天線系統(tǒng)。

這意味著天線可以是智能的、小型化的(共同設(shè)計的)和定制的。

因為未來網(wǎng)絡(luò)會越來越細(xì)，需要根據(jù)周邊場景定制設(shè)計。比如市區(qū)的車站布局會更細(xì)致，而不是簡單的覆蓋。5G通信會使用高頻帶，障礙物對通信影響很大。定制天線可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

第二個趨勢是天線設(shè)計的系統(tǒng)化和復(fù)雜化。

例如波束陣列(實(shí)現(xiàn)空波分復(fù)用)、多波束和多/高頻帶。這些都對天線提出了很高的要求，這將涉及到整個系統(tǒng)和相互兼容性。在這種情況下，天線技術(shù)已經(jīng)超越了組件的概念，逐漸進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計。

天線技術(shù)的演變過程:從單陣列天線到多陣列到多單元，從無源到有源系統(tǒng)，從簡單的MIMO到大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)，從簡單的固定波束到多波束。

設(shè)計層面的趨勢

對于基站來說，天線設(shè)計的原則之一就是小型化。

不同系統(tǒng)的天線是一起設(shè)計的。為了降低成本和節(jié)省空，有必要使天線多頻帶、寬帶、多波束、多輸入多輸出/海量多輸入多輸出，以及多輸入多輸出對天線的隔離程度。海量MIMO對天線混合耦合有一些特殊要求。

此外，天線需要可調(diào)。

第一代天線通過機(jī)械實(shí)現(xiàn)傾斜角度，第三代實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電動調(diào)節(jié)。如果5G能實(shí)現(xiàn)自調(diào)，那就很有吸引力了。

對于移動終端，對天線的要求是小型化、多波段、寬帶和可調(diào)。雖然現(xiàn)在有這些功能，但是對5G的要求會更嚴(yán)格。

此外，5G移動通信的天線面臨著一個新的問題——共存。

為了實(shí)現(xiàn)海量的多輸入多輸出，需要多根天線進(jìn)行接收和發(fā)送，即同一頻率上的多根天線(8根天線，16根天線，...).這種多天線系統(tǒng)帶來的最大挑戰(zhàn)是共存。

如何減少耦合的相互影響以及如何增加通道隔離...這就對5G終端天線提出了新的要求。

具體來說，它將涉及以下三點(diǎn):

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(rèn)為不會存在這種情況，但在工業(yè)界確實(shí)存在這個問題；去耦，在MIMO系統(tǒng)里面，天線的互耦不僅僅會降低信道的隔離度，還會降低整個系統(tǒng)的輻射效率。另外，我們不能指望完全依賴于高頻段毫米波來解決性能上的增長，例如25GHz、28GHz...60GHz都存在系統(tǒng)上的問題；去相關(guān)性，這一點(diǎn)可以從天線和電路設(shè)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系統(tǒng)的天線技術(shù)

這包括單天線的設(shè)計和系統(tǒng)級的技術(shù)，如多波束、波束形成、有源天線陣、海量多輸入多輸出等。

從具體的天線設(shè)計來看，從基于超材料的概念發(fā)展而來的技術(shù)將大有裨益。目前超材料已經(jīng)在3G、4G領(lǐng)域取得了小型化、低剖面、高增益、低頻段等成功。

第二，基板或封裝集成天線。這些天線主要用于頻率較高的頻段，即毫米波頻段。雖然天線在高頻帶的尺寸很小，但天線本身的損耗很大，所以最好將天線與基板或終端上較小的封裝集成在一起。

第三種是電磁透鏡。鏡頭主要用于高頻帶。當(dāng)波長很小時，放一個介質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)聚焦功能。高頻天線尺寸不大，但是微波波段的波長很長，使得鏡頭很難使用，尺寸也很大。

第四是MEMS的應(yīng)用。頻率很低的時候，可以用MEMS做開關(guān)。在移動電話終端中，如果天線能夠得到有效的控制和重構(gòu)，一根天線可以用于多種目的。

本設(shè)計以電磁透鏡為例，引入了一個概念:在多元天線陣前放置一個電磁透鏡(在微波或毫米波的低頻帶與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡不同)。當(dāng)光從某個角度入射時，在某個焦平面上會產(chǎn)生一個光斑，大量的能力會集中在這個光斑上，也就是說整個能力的主要部分會在很小的區(qū)域內(nèi)被接收。

當(dāng)入射方向改變時，焦平面上的光斑位置也會改變。如上圖所示，當(dāng)投射角度時，產(chǎn)生黑色的能量分布。如果以一定的角度θ(紅色)入射，主能量偏離黑色區(qū)域。

這個概念可以用來區(qū)分能量來自哪里，入射方向和能量在陣列或焦平面上的位置是一一對應(yīng)的。相反，當(dāng)天線在不同位置激勵時，天線會向不同方向輻射，也是一一對應(yīng)的。

如果用多個單元在焦平面上輻射，就可以產(chǎn)生多個載波波束的輻射，稱為波束形成；如果在這些光束之間切換，就會出現(xiàn)光束掃描的現(xiàn)象；如果同時使用這些天線，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多輸入多輸出。這個陣列可以非常大，但是每個波束上只能使用幾個陣列來實(shí)現(xiàn)高增益輻射。

如果普通陣列有相同的孔徑，那么每次接收到的能量就是所有單元都必須在這個區(qū)域接收能量，如果大區(qū)域只放置一個單元，那么接收到的能量只是很小的一部分；與普通陣列不同的是，所有的能量只能被幾個孔徑相同的單元接收而沒有任何損失。當(dāng)從不同的角度進(jìn)來時，能量可以同時在不同的地方被接收。

這大大簡化了整個系統(tǒng)。如果一次只有一個方向，那么只有一個本地天線可以工作，減少了同時工作的天線數(shù)量。但子陣的概念不同，使得局部多天線構(gòu)成子陣，通道數(shù)隨著子陣元的增加而減少。比如把一個10×10的陣列換成5×5的子陣列，就只有4個獨(dú)立的通道，通道總數(shù)就會減少。

上圖右側(cè)是基帶上計算的鏡頭對系統(tǒng)的影響。水平方向是天線的數(shù)量。假設(shè)在水平方向上線性陣列有20個單元，那么只使用5個單元來接收聚焦的能量比不使用透鏡而使用全部20個單元要好。前者通信質(zhì)量更高，成本和功耗更低。即使在最壞的情況下，當(dāng)波從四面八方入射時，這20個單位的效果也和后者一樣。因此，使用透鏡可以提高天線的性能——使用少量的天線就可以達(dá)到過去大陣列的效果。

從這個PPT可以看出，電磁透鏡可以降低成本，降低復(fù)雜度，提高輻射效率，同時也增加了天線陣的濾波特性(屏蔽干擾信號)。

這個PPT顯示了在28GHz毫米波波段使用的天線，七個單位天線用作饋電。

如左圖所示，前透鏡是超材料制成的屏幕透鏡，用兩層PCB雕刻成不同的形狀來調(diào)整相位，實(shí)現(xiàn)特定方向的聚焦。在右側(cè)，我們可以看到七個輻射元件的性能。波瓣寬度6.8，旁瓣18dB以下，增益24-25dB。

本實(shí)驗驗證了電磁透鏡在基站中的應(yīng)用，也驗證了超材料技術(shù)在天線小型化中的作用。

毫米波天線設(shè)計

眾所周知，5G會有兩個頻段，低頻帶和毫米波帶，毫米波波長短，損耗大，所以5G通信必須解決這個問題。

第一種方案是基片集成天線(SIA)。

這種天線主要基于兩種技術(shù):空波導(dǎo)在傳輸時損耗很小，所以空波導(dǎo)可以用于饋電傳輸。但是有幾個問題，因為是一個空空氣波導(dǎo)，體積很大，不能和其他電路集成，所以更適合大功率、大體積的應(yīng)用場景；另一種是微帶線技術(shù)，可以大規(guī)模生產(chǎn)，但其作為傳輸介質(zhì)的損耗很高，很難形成大規(guī)模的天線陣。

基于這兩種技術(shù)，可以生產(chǎn)襯底集成波導(dǎo)技術(shù)。這項技術(shù)最早是由日本工業(yè)界提出的。1998年，他們發(fā)表了第一篇關(guān)于介質(zhì)集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的論文，其中提到在非常薄的介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)，用小柱子阻擋電磁波，避免沿兩邊傳播。不難理解，當(dāng)兩個小支柱之間的距離小于四分之一波長時，能量不會泄漏出去，可以形成高效率、高增益、低剖面、低成本、易集成、低損耗的天線。

上圖右下方是采用該技術(shù)在LTCC制造的60GHz天線，增益為25dB，尺寸為8×8個單位。

該方案適用于毫米波在基站中的應(yīng)用，在移動終端中還有另一種方案。

第二種解決方案是設(shè)計封裝集成天線(PIA)中的天線。

因為天線在芯片上最大的問題是損耗太大，芯片本身尺寸很小，天線的設(shè)計會增加成本，所以在工程上很難大規(guī)模使用。如果用封裝(大于芯片)作為載體來設(shè)計天線，不僅可以設(shè)計單個天線，還可以設(shè)計天線陣，避免了直接在硅上制作天線的體積、損耗和成本的限制。

另一個需要注意的問題是，PCB能否作為天線使用。答案是肯定的。

關(guān)鍵瓶頸不是材料本身，而是材料帶來的設(shè)計和加工問題。但是PCB只適合60GHz以下的頻段，60GHz以后推薦LTCC，但是200GHz以后LTCC也有瓶頸。

摘要

未來，天線必須與系統(tǒng)一起設(shè)計，而不是分開設(shè)計。甚至可以說，天線會成為5G的瓶頸。如果不突破這個瓶頸，就無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上的信號處理，因此天線成為5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。天線不僅是輻射器，還具有濾波特性、放大特性和干擾抑制特性。它不需要能量來實(shí)現(xiàn)增益，所以天線不僅僅是一個設(shè)備。

精彩問答

問:國內(nèi)有哪些好的天線企業(yè)？5G產(chǎn)業(yè)鏈的支撐體系準(zhǔn)備好了嗎？

答:國內(nèi)領(lǐng)先的天線企業(yè)很多。世界上最好的基站天線廠商有七十八家在中國，另外幾家外資企業(yè)的工廠也在中國。5G的方案有很多，我們也不確定最終會用哪一種，但目前現(xiàn)有的設(shè)備基本可以滿足要求。

問:未來5G終端的天線位置設(shè)計應(yīng)該遵循哪些原則？

答:未來5G終端上有多少位置可以為我們部署天線，這是個問題。目前天線設(shè)計還是跟著系統(tǒng)走，系統(tǒng)設(shè)計好了才考慮天線位置。從技術(shù)角度來說，離設(shè)備頭部越遠(yuǎn)越好。目前手機(jī)上一般都是雙天線，主天線一般在下半部，因為頭部吸收和阻擋能量；此外，盡可能共享天線，以減少天線占用的空空間；三是多天線系統(tǒng)。原則上，距離越遠(yuǎn)越好，但有限的面積需要空之間的分集和極化分集，以最小化天線之間的相關(guān)性。

問:有句話說5G天線是陣列貼片。陳教授怎么看？

答:如果只是陣列補(bǔ)丁的話，整個5G的挑戰(zhàn)性會大大降低，但要看具體應(yīng)用。5G通信的最低頻段是3GHz，和LTE差不多，還需要天線一段時間。如果超過5GHz，可以使用貼片或貼片，但28GHz后貼片更合適，但也可以使用透鏡天線和波導(dǎo)縫隙天線。由于高頻波導(dǎo)傳輸?shù)臍W姆損耗相對較小，所以從整個系統(tǒng)的效率來看，也可以使用波導(dǎo)天線。如果限于某一類型的天線，會限制天線播放空的范圍。