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過去二十年,男人天堂av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)中傳播的電磁波,或者進行相反的變換,也就是發射或接收電磁波。通俗點說,無論是基站還是移動終端,天線都是充當發射信號和接收信號的中間件。

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通信到底需要什麽樣的天線?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

基站天線是伴隨著網絡通信發展起來的,工程人員根據網絡需求來設計不同的天線。因此,在過去幾代移動通信技術中,天線技術也一直在演進。

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,男人天堂av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。

八十年代的天線還主要以單極化天線為主,而且已經開始引入了陣列概念。雖然全向天線也有陣列,但隻是垂直方向的陣列,單極化天線就出現了平麵和方向性的天線。從形式來看,現在的天線和第二代的天線非常相似。

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,男人天堂av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,現在男人天堂av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會扮演一個什麽樣的角色,5G對天線設計會產生什麽影響?這是男人天堂av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

因為未來的網絡會變得越來越細,男人天堂av需要根據周圍的場景來進行定製化的設計,例如在城市區域內布站會更加精細,而不是簡單的覆蓋。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/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求,它會涉及到整個係統以及互相兼容的問題,在這種情況下天線技術已經超越了元器件的概念,逐漸進入了係統的設計。

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MIMO係統裏麵,天線的互耦不僅僅會降低信道的隔離度,還會降低整個係統的輻射效率。另外,男人天堂av不能指望完全依賴於高頻段毫米波來解決性能上的增長,例如25GHz、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。

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

第三個是電磁透鏡。透鏡主要應用於高頻段,當波長非常小的時候,放上一個介質可以去到聚焦的作用,高頻天線體積並不大,但是微波段的波長很長,這就導致透鏡很難使用,體積會很大。

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),當光從某一個角度入射後,就會在某一個焦平麵上產生斑點,這個斑點上就集中了大量的能力,這就意味著在很小的區域內把整個能力的主要部分接收下來。

當入射方向變化,斑點在焦平麵上的位置也會發生變化。如上圖,當角度正投射的時候,產生了黑顏色的能量分布,如果是按照某個角度θ入射(紅顏色),主要能量就偏離了黑顏色區域。

用這個概念可以區分能量是從哪裏來的,入射的方向和能量在陣列上或者焦平麵上的位置是一一對應的。反之,在不同的位置激勵天線,天線就會輻射不同的方向,這也是一一對應的。

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區域內接收能量,如果在很大區域隻放一個單元收到的能量隻是非常小的一部分;和普通陣列不同的是,同樣的口徑在沒有任何損耗的情況下,隻用很少的單元就可以接收到所有的能量,不同的角度進來,這些能量可以被不同的地方同時接收。

這大大簡化了整個係統,如果每次工作隻有一個方向的時候,隻要一個局部的天線工作就可以,這就減少了同時工作天線的個數。而子陣的概念不同,它是讓局部多天線構成子陣,這時候通道數是隨著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,那麽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,男人天堂av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:空波導傳輸的時候介質帶來的損耗很小,所以可以用空波導來進行饋源傳輸。但這存在幾個問題,因為是空氣波導,尺寸非常大,而且無法和其它電路集成,所以比較適合高功率、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年發表了第一篇關於介質集成的波導結構論文,提到了在很薄的介質襯底上實現波導,用小柱子擋住電磁波,避免沿著兩邊擴。這不難理解,當兩個小柱子的間距小魚四分之一波長的時候,能量就不會泄露出去,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。

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)。

因為天線在芯片上最大的問題就是損耗太大,而且芯片本身的尺寸很小,把天線設計進去會增加成本,所以在工程上幾乎無法得到大規模應用。如果用封裝(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。

實際上,天線不僅可以在封裝內部,還可設計在封裝的頂部、底部以及周圍。

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,男人天堂av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麽原則?

A:未來5G終端上到底有多少位置可以給男人天堂av部署天線是個問題。目前,天線的設計還是跟著係統走,係統設計好了,才會考慮到天線的位置。從技術角度來講,離設備頭部越遠越好,目前手機上一般都是雙天線,主天線一般是在下半部,因為頭對能量有吸收遮擋;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,陳教授怎麽看?

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、波導縫隙天線,因為高頻波導的傳輸的歐姆損耗是比較小的,所以從整個係統的效率來看,用波導天線也是有可能的。如果僅限於某種形式的天線,會限製天線發揮的空間。