關(guān)于5G系統(tǒng)天線技術(shù)的簡單說明

（文章來源：電子元件技術(shù)網(wǎng)）

這包括單個(gè)天線的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)層面上的技術(shù)，系統(tǒng)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(shè)計(jì)來看，超材料為基礎(chǔ)的概念發(fā)展出來的技術(shù)將會(huì)大有裨益。目前超材料已經(jīng)在3G和4G上取得了成功，例如實(shí)現(xiàn)了小型化、低輪廓、高增益和款頻段。

第二個(gè)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(gè)是電磁透鏡。透鏡主要應(yīng)用于高頻段，當(dāng)波長非常小的時(shí)候，放上一個(gè)介質(zhì)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(dǎo)致透鏡很難使用，體積會(huì)很大。

第四個(gè)是MEMS的應(yīng)用。在頻率很低的時(shí)候，MEMS可以用作開關(guān)，在手機(jī)終端，如果能對(duì)天線進(jìn)行有效的控制、重構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線多用。

以電磁透鏡為例，這一設(shè)計(jì)引進(jìn)了一個(gè)概念：在多單元的天線陣列前面放了一個(gè)電磁透鏡（這里指應(yīng)用于微波或毫米波低端頻段的透鏡，與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡不同），當(dāng)光從某一個(gè)角度入射后，就會(huì)在某一個(gè)焦平面上產(chǎn)生斑點(diǎn)，這個(gè)斑點(diǎn)上就集中了大量的能力，這就意味著在很小的區(qū)域內(nèi)把整個(gè)能力的主要部分接收下來。

當(dāng)入射方向變化，斑點(diǎn)在焦平面上的位置也會(huì)發(fā)生變化。如上圖，當(dāng)角度正投射的時(shí)候，產(chǎn)生了黑顏色的能量分布，如果是按照某個(gè)角度θ入射（紅顏色），主要能量就偏離了黑顏色區(qū)域。用這個(gè)概念可以區(qū)分能量是從哪里來的，入射的方向和能量在陣列上或者焦平面上的位置是一一對(duì)應(yīng)的。反之，在不同的位置激勵(lì)天線，天線就會(huì)輻射不同的方向，這也是一一對(duì)應(yīng)的。

如果用多個(gè)單元在焦平面上輻射，就可以產(chǎn)生多個(gè)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(jìn)行切換，就出現(xiàn)波束掃描的現(xiàn)象；如果這些天線同時(shí)用，就可以實(shí)現(xiàn)Massive MIMO。這個(gè)陣列可以很大，但在每個(gè)波束上只要用很少的陣列就可以實(shí)現(xiàn)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(gè)區(qū)域內(nèi)接收能量，如果在很大區(qū)域只放一個(gè)單元收到的能量只是非常小的一部分；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，只用很少的單元就可以接收到所有的能量，不同的角度進(jìn)來，這些能量可以被不同的地方同時(shí)接收。

這大大簡化了整個(gè)系統(tǒng)，如果每次工作只有一個(gè)方向的時(shí)候，只要一個(gè)局部的天線工作就可以，這就減少了同時(shí)工作天線的個(gè)數(shù)。而子陣的概念不同，它是讓局部多天線構(gòu)成子陣，這時(shí)候通道數(shù)是隨著子陣單元數(shù)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，那么就變成了只有四個(gè)獨(dú)立的通道，整個(gè)信道數(shù)也就減少了。

上圖右側(cè)顯示的是在基帶上算出來透鏡對(duì)系統(tǒng)的影響，水平方向是天線個(gè)數(shù)，假設(shè)水平方向上一個(gè)線陣有20個(gè)單元，用透鏡的情況下，只用5個(gè)單元去接受被聚焦后的能量比不用透鏡全部20個(gè)單元都用上的效果要更好，前者的通信質(zhì)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(gè)單元都用上和后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(gè)數(shù)，達(dá)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、降低復(fù)雜度、增加輻射效率，還可以增加天線陣列的濾波特性（屏蔽干擾信號(hào)）等等。這張PPT展示的是用在28GHz毫米波頻段上的天線，并且用了7個(gè)單元天線作為饋源。

如左側(cè)所示，前面的透鏡是用超材料制成的屏幕透鏡，用兩層PCB刻成不同的形狀進(jìn)行相位的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)特定方向的聚焦。右側(cè)可以看出7個(gè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁透鏡在基站上的應(yīng)用，同時(shí)也驗(yàn)證了超材料技術(shù)在天線小型化的作用。
（責(zé)任編輯：fqj）