2G---5G與未來天線技術

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(fā)生變化，處理的信息量成倍增長。而天線，是實現(xiàn)這一跨越式提升不可或缺的組件。

按照業(yè)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(fā)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(fā)射信號和接收信號的中間件。

現(xiàn)在，下一代通信技術——5G已經(jīng)進入了標準制定階段的尾聲，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，對天線系統(tǒng)提出了新的要求。在5G通信中，實現(xiàn)高速率的關鍵是毫米波以及波束成形技術，但傳統(tǒng)的天線顯然無法滿足這一需求。 電路特性與輻射特性是基站天線的重要表征指標,例如增益、波瓣寬度、前后比、駐波比、隔離度、三階互調等。隨著天線使用年限的增加以及間斷性的高功率輸入，則會使射頻路徑溫度急速升高，加速其材質老化、導致其輻射特性衰減而影響整個基站系統(tǒng)。

天線參數(shù)影響因素與網(wǎng)絡性能的關聯(lián)

5G通信到底需要什么樣的天線?這是工程開發(fā)人員需要思考的問題。

以信息技術為代表的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革，正在逐步孕育升級。在視頻流量激增，用戶設備增長和新型應用普及的態(tài)勢下，迫切需要第五代移動通訊系統(tǒng)(5G)的技術快速成熟與應用，包括移動通信，Wi-Fi，高速無線數(shù)傳無一例外的需要相比現(xiàn)在更快的傳輸速率，更低的傳輸延時以及更高的可靠性。為了滿足移動通信的對高數(shù)據(jù)速率的需求，一是需要引入新技術提高頻譜效率和能量利用效率，二是需要拓展新的頻譜資源。

兩大類新體制天線技術，包括：基于耦合諧振器去耦網(wǎng)絡的緊耦合終端天線;基于超材料(超表面)的MIMO，Massive MIMO天線陣耦合減小及性能提升技術。通過無源參數(shù)，有源參數(shù)和MIMO參數(shù)的測試和評估，證實了這兩類新體制天線在5G中的明顯優(yōu)勢和廣闊應用場景。

在此背景下，大規(guī)模多輸入多輸出技術 (Massive MIMO)已經(jīng)不可逆轉的成為下一代移動通信系統(tǒng)的中提升頻譜效率的核心技術。多輸入輸出技術(MIMO) 可以有效利用在收發(fā)系統(tǒng)之間的多個天線之間存在的多個空間信道，傳輸多路相互正交的數(shù)據(jù)流，從而在不增加通信帶寬的基礎上提高數(shù)據(jù)吞吐率以及通信的穩(wěn)定性。而Massive MIMO技術在此基礎之上更進一步，在有限的時間和頻率資源基礎上，采用上百個天線單元同時服務多達幾十個的移動終端，更進一步提高了數(shù)據(jù)吞吐率和能量的使用效率

移動通信基站天線的演進及趨勢

基站天線是伴隨著網(wǎng)絡通信發(fā)展起來的，工程人員根據(jù)網(wǎng)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(shù)量很少，傳輸?shù)乃俾室草^低，這時候還屬于模擬系統(tǒng)。

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(qū)。

八十年代的天線還主要以單極化天線為主，而且已經(jīng)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(xiàn)了平面和方向性的天線。從形式來看，現(xiàn)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。

到了2.5G和3G時代，出現(xiàn)了很多多頻段的天線。因為這時候的系統(tǒng)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。

到了2013年，我們首次引入了MIMO(多入多出技術，Multiple-Input Multiple-Output)天線系統(tǒng)。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(tǒng)就進入了一個新的時代，也就是從最初的單個天線發(fā)展到了陣列天線和多天線。

但是，現(xiàn)在我們需要把目光投向遠方，5G的部署工作已經(jīng)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(chǎn)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(tǒng)設計完成后再提指標來定制天線。不過5G現(xiàn)在的概念仍然不明確，做天線設計的研發(fā)人員需要提前做好準備，為5G通信系統(tǒng)提供解決方案，甚至通過新的天線方案或者技術來影響5G的標準定制以及發(fā)展。

從另一個視角看，陣列天線、多頻段天線、多波束天線構成了基站天線發(fā)展的“魔術三角”。

Massive MIMO

基站端裝備大規(guī)模天線陣列，利用多根天線形成的空間自由度及有效的多徑分量，提高系統(tǒng)的頻譜利用效率。

多波束天線

多波束天線采用多波束使扇區(qū)分裂，從而增大容量。

2G到4G基站天線發(fā)展

2G/3G時代，天線多為2端口。

▲GSM天線

▲CDMA天線

▲LTE-FDD 獨立2端口天線(2T2R)

到了4G時代，隨著MIMO技術、多頻段天線的大量使用，我們看到，鐵塔上天線就像是長出了大胡子。

▲LTE-FDD 獨立4端口天線(2T4R)

▲CDMA(1T2R)/LTE-FDD(2T4R) 6端口雙頻天線

▲LTE-TDD 8T8R 8端口天線

再加上鐵塔上的RRU，鐵塔上的場面就相當壯觀…

未來的基站天線可能是什么樣子?

▼這是日本街頭的TD-LTE 3.5G基站天線...

▼華為Massive MIMO天線

▼中興Massive MIMO天線

▼愛立信15GHz天線裝備

▼NEC 支持28GHz有源天線系統(tǒng)

隨著C-RAN網(wǎng)絡結構的演進，RRU拉遠，將會出現(xiàn)各種隱性天線...

從過去幾年和移動通信公司的合作交流經(jīng)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(tǒng)。

這就意味著天線可能會實現(xiàn)智能化、小型化(共設計)、定制化。

因為未來的網(wǎng)絡會變得越來越細，我們需要根據(jù)周圍的場景來進行定制化的設計，例如在城市區(qū)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(chǎn)生很大的影響，定制化的天線可以提供更好的網(wǎng)絡質量。

第二個趨勢是天線設計的系統(tǒng)化和復雜化。

例如波束陣列(實現(xiàn)空分復用)、多波束以及多/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求，它會涉及到整個系統(tǒng)以及互相兼容的問題，在這種情況下天線技術已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進入了系統(tǒng)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，從無源到有源的系統(tǒng)，從簡單的MIMO到大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，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(tǒng)的天線是設計在一起的，為了降低成本、節(jié)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(xiàn)傾角，第三代實現(xiàn)了遠程的電調，5G如果能實現(xiàn)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(xiàn)在也有，但5G的要求會更加苛刻。

除此之外，5G移動通信的天線還面臨了一個新的問題——共存。

實現(xiàn)Massive MIMO，收發(fā)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(tǒng)給終端帶來最大的挑戰(zhàn)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干擾，之前學術界認為不會存在這種情況，但在工業(yè)界確實存在這個問題;

2. 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;

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系統(tǒng)的天線技術

這包括單個天線的設計以及系統(tǒng)層面上的技術，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。

從具體天線設計來看，超材料為基礎的概念發(fā)展出來的技術將會大有裨益。目前超材料已經(jīng)在3G和4G上取得了成功，例如實現(xiàn)了小型化、低輪廓、高增益和寬頻段。

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(xiàn)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面放了一個電磁透鏡(這里指應用于微波或毫米波低端頻段的透鏡，與傳統(tǒng)光學透鏡不同)，當光從某一個角度入射后，就會在某一個焦平面上產(chǎn)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(qū)域內把整個能力的主要部分接收下來。

當入射方向變化，斑點在焦平面上的位置也會發(fā)生變化。如上圖，當角度正投射的時候，產(chǎn)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(qū)域。

用這個概念可以區(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面上輻射，就可以產(chǎn)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(xiàn)波束掃描的現(xiàn)象;如果這些天線同時用，就可以實現(xiàn)Massive MIMO。這個陣列可以很大，但在每個波束上只要用很少的陣列就可以實現(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區(qū)域內接收能量，如果在很大區(qū)域只放一個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。

這大大簡化了整個系統(tǒng)，如果每次工作只有一個方向的時候，只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(shù)。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(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獨立的通道，整個信道數(shù)也就減少了。

上圖右側顯示的是在基帶上算出來透鏡對系統(tǒng)的影響，水平方向是天線個數(shù)，假設水平方向上一個線陣有20個單元，用透鏡的情況下，只用5個單元去接受被聚焦后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——用少量天線個數(shù)，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、降低復雜度、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)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個單元天線作為饋源。

如左側所示，前面的透鏡是用超材料制成的屏幕透鏡，用兩層PCB刻成不同的形狀進行相位的調整，以實現(xiàn)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

5G另外一個關鍵技術就是高頻段(毫米波)傳輸。傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)，包括3G，4G移動通信系統(tǒng)，其工作頻率主要集中在3GHz以下，頻譜資源已經(jīng)異常擁擠。而工作在高頻段的通信系統(tǒng)，其可用的頻譜資源非常豐富，更有可能占用更寬的連續(xù)頻帶進行通信，從而滿足5G對信道容量和傳輸速率等方面的需求。因此，在2015年11月，世界無線電通信大會WRC-15，除了確定了470~694/698 MHz、1427~1518 MHz、3300~3700 MHz、以及4800~4990 MHz作為5G部署的重要頻率之外，又提出了對24.25~86GHz內的若干頻段進行研究，以便確定未來5G發(fā)展所需要的頻段。

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通信里面，我們必須解決這一問題。

5G低頻頻段：主要是指6GHz以下的頻段。

近日，我國工信部發(fā)布意見稿表明，

3.3G-3.40GHz頻段基本被確認為5G頻段，原則上限于室內使用; 4.8G-5.0GMHz頻段，具體的頻率分配使用根據(jù)運營商的需求而定。

新增4.4G-4.5GMHz頻段，但不能對其他相關無線電業(yè)務造成有害干擾。

5G高頻頻段：主要是指20GHz以上的頻段。

我國主要在24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在征集意見，國際上主要使用28GHz進行試驗。

毫米波移動通信也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點。因此，高增益、有自適應波束形成和波束控制能力的天線陣列，自然成為5G在毫米波段應用的關鍵技術。

然而，考慮到上述系統(tǒng)、天線陣的實際應用場景和應用環(huán)境，帶有Massive MIMO天線陣的5G基站建站時，由于實際空間受限，天線陣的體積不能很大。天線陣物理尺寸受限的情況下，多個天線單元之間的互相耦合、干擾，必然會造成天線性能的下降，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)造成天線副瓣較高，對陣列的波束掃描能力有較大的影響;

(2)由于天線單元之間互相的干擾，造成信噪比變差，進而直接影響數(shù)據(jù)吞吐率;

(3)使得能夠有效輻射的能量減少，造成天線陣增益降低，能量利用效率低下。

綜上所述，在5G適用的低頻段和高頻段，迫切需要尋找行之有效的改善空間受限的Massive MIMO天線陣列的性能的理論和設計方法，能夠即縮小天線陣體積，又保持原有的天線陣性能。

第一個方案是，襯底集成天線(substrate integrated antenna，即SIA)。 這種天線主要基于兩個技術：空波導傳輸?shù)臅r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(guī)模生產(chǎn)，但它本身作為傳輸介質的損耗很大，而且很難構成大規(guī)模天線陣列。

基于這兩個技術就可以產(chǎn)生襯底集成的波導技術。這一技術最早由日本工業(yè)界提出來，他們在1998年發(fā)表了第一篇關于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(xiàn)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于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。

這一方案是適合于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(guī)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，這就避免了硅上直接做天線在體積、損耗和成本上的限制。

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。

關鍵的瓶頸并不是材料自身，而是材料帶來的設計問題和加工上的問題。不過PCB只適合在60GHz以下的頻段，在60GHz以后推薦用LTCC，但到200GHz后，LTCC也存在瓶頸。

總結未來天線必須要和系統(tǒng)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(tǒng)上的信號處理都無法實現(xiàn)，所以天線已經(jīng)成為5G移動通信系統(tǒng)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(xiàn)增益，因此天線不僅僅是一個器件。

審核編輯 ：李倩