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）中(zhong)傳(chuan)播(bo)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)，或(huo)者(zhe)進(jin)行(xing)相(xiang)反(fan)的(de)變(bian)換(huan)，也(ye)就(jiu)是(shi)發(fa)射(she)或(huo)接(jie)收(shou)電(dian)磁(ci)波(bo)。通(tong)俗(su)點(dian)說(shuo)，無(wu)論(lun)是(shi)基(ji)站(zhan)還(hai)是(shi)移(yi)動(dong)終(zhong)端(duan)
，天(tian)線(xian)都(dou)是(shi)充(chong)當(dang)發(fa)射(she)信(xin)號(hao)和(he)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)的(de)中(zhong)間(jian)件(jian)。

 

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

 

jizhantianxianshibansuizhewangluotongxinfazhanqilaide，gongchengrenyuangenjuwangluoxuqiulaishejibutongdetianxian。yinci
，zaiguoqujidaiyidongtongxinjishuzhong，tianxianjishuyeyizhizaiyanjin。

 

 

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。

 

diergeshi，chendihuozhefengzhuangjichengtianxian。zhexietianxianzhuyaoyongzaipinlvbijiaogaodepinduan，yejiushihaomibopinduan。suirangaopinduandetianxianchicunhenxiao
，dantianxianbenshendesunhaofeichangda，suoyizaizhongduanshangzuihaobatianxianhechendijichenghuozhegengxiaodefengzhuangjicheng。

 

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。

 

putongdezhenlieruguoyoutongyangdaxiaodekoujing，meicishoudaodenengliangshiyaosuoyoudedanyuanbixuzaizhegequyuneijieshounengliang
，ruguozaihendaquyuzhifangyigedanyuanshoudaodenengliangzhishifeichangxiaodeyibufen；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)。

 

這(zhe)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)了(le)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)
，如(ru)果(guo)每(mei)次(ci)工(gong)作(zuo)隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)方(fang)向(xiang)的(de)時(shi)候(hou)，隻(zhi)要(yao)一(yi)個(ge)局(ju)部(bu)的(de)天(tian)線(xian)工(gong)作(zuo)就(jiu)可(ke)以(yi)，這(zhe)就(jiu)減(jian)少(shao)了(le)同(tong)時(shi)工(gong)作(zuo)天(tian)線(xian)的(de)個(ge)數(shu)。而(er)子(zi)陣(zhen)的(de)概(gai)念(nian)不(bu)同(tong)，它(ta)是(shi)讓(rang)局(ju)部(bu)多(duo)天(tian)線(xian)構(gou)成(cheng)子(zi)陣(zhen)，這(zhe)時(shi)候(hou)通(tong)道(dao)數(shu)是(shi)隨(sui)著(zhe)子(zi)陣(zhen)單(dan)元(yuan)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)減(jian)少(shao)的(de)。例(li)如(ru)10×10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

 

 

推薦閱讀：