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5G通信需要怎樣的基站天線?

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。

5G即將到來,各大運營商也正在積極地部署5G設備。5G擁有比4G快十倍的傳輸速率,對天線系統提出了新的要求。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。

那么,5G通信到底需要什么樣的天線?

以下來自是來自新加坡國立大學終身教授、IEEE Fellow陳志寧關于5G移動通信中的未來天線技術的講解。

  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。

1G時代,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,這時候還屬于模擬系統。

2G時代,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。

80年代,天線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,但只是垂直方向的陣列,單極化天線就出現了平面和方向性的天線。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)開始走上歷史舞臺。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。

2.5G和3G時代,出現了很多多頻段天線。因為這時候的系統很復雜,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。

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

MIMO技術提升了通信容量,這時候的天線系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會扮演一個什么樣的角色,5G對天線設計會產生什么影響?這是我們需要探索的問題。

過去天線的設計通常很被動:系統設計完成后再提指標來定制天線。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通信系統提供解決方案,甚至通過新的天線方案或者技術來影響5G的標準定制以及發展

  未來基站天線的兩大趨勢

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系統第二個趨勢是天線設計的系統化和復雜化

從無源天線到有源天線

這就意味著天線可能會實現智能化、小型化(共設計)、定制化。

因為未來的網絡會變得越來越細,我們需要根據周圍的場景來進行定制化的設計,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,定制化的天線可以提供更好的網絡質量。

天線設計的系統化和復雜化

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,從無源到有源的系統,從簡單的MIMO到大規模MIMO系統,從簡單固定的波束到多波束

設計層面的趨勢

對于基站而言,天線設計的一大原則就是小型化

不同系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

對于移動終端而言,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。

此外,5G移動通信的天線還面臨了一個新的問題——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...)。這樣的多天線系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:

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;

去耦,在MIMO系統里面,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都存在系統上的問題;

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系統的天線技術

這包括單個天線的設計以及系統層面上的技術,系統層面的上文有提到,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。透鏡主要應用于高頻段,當波長非常小的時候,放上一個介質可以去到聚焦的作用,高頻天線體積并不大,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制、重構,就可以實現一個天線多用。

  總結

未來天線必須要和系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,系統上的信號處理都無法實現,所以天線已經成為5G移動通信系統的關鍵技術。天線不只是一個輻射器,它有濾波特性、放大作用、抑制干擾信號,它不需要能量來實現增益,因此天線不僅僅是一個器件。

本文來自雷鋒網,作者陳志寧

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