過去二十年，我們見證了移動通信從1G到4G LTE的轉(zhuǎn)變。在這期間，通信的關(guān)鍵技術(shù)在發(fā)生變化，處理的信息量成倍增長。而天線，是實(shí)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(dǎo)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(jìn)行相反的變換，也就是發(fā)射或接收電磁波。通俗點(diǎn)說，無論是基站還是移動終端，天線都是充當(dāng)發(fā)射信號和接收信號的中間件。
現(xiàn)在，下一代通信技術(shù)——5G已經(jīng)進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)制定階段的尾聲，各大運(yùn)營商也正在積極地部署5G設(shè)備。毋庸置疑，5G將給用戶帶來全新的體驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)高速率的關(guān)鍵是毫米波以及波束成形技術(shù)，但傳統(tǒng)的天線顯然無法滿足這一需求。
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。為此雷鋒網(wǎng)IoT科技評論邀請了新加坡國立大學(xué)終身教授、IEEE Fellow陳志寧為大家講解5G移動通信中的未來天線技術(shù)。
專家介紹
陳志寧：雙博士，新加坡國立大學(xué)終身教授，國際電子電氣工程師學(xué)會會士(IEEE Fellow)，國際電子電氣工程師學(xué)會天線與傳播學(xué)會杰出演講人;現(xiàn)擔(dān)任IEEE Council on RFID (CRFID)副主席和杰出演講人;已發(fā)表了五百余篇科技論文，其中一百多篇IEEE Trans，出版了五部英文專著，并擁有幾十項(xiàng)國際天線專利和成功的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
以下內(nèi)容整理自陳教授的公開課：
移動通信基站天線的演進(jìn)及趨勢
基站天線是伴隨著網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展起來的，工程人員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求來設(shè)計(jì)不同的天線。因此，在過去幾代移動通信技術(shù)中，天線技術(shù)也一直在演進(jìn)。
第一代移動通信幾乎用的都是全向天線，當(dāng)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(shù)，我們才進(jìn)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?yàn)檫@時候的系統(tǒng)很復(fù)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(shù)，Multiple-Input Multiple-Output)天線系統(tǒng)。最初是4×4 MIMO天線。
MIMO技術(shù)提升了通信容量，這時候的天線系統(tǒng)就進(jìn)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(yuǎn)方，5G的部署工作已經(jīng)啟動了，天線技術(shù)在5G會扮演一個什么樣的角色，5G對天線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)通常很被動：系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后再提指標(biāo)來定制天線。不過5G現(xiàn)在的概念仍然不明確，做天線設(shè)計(jì)的研發(fā)人員需要提前做好準(zhǔn)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(shù)來影響5G的標(biāo)準(zhǔn)定制以及發(fā)展。
從過去幾年和移動通信公司的合作交流經(jīng)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)智能化、小型化(共設(shè)計(jì))、定制化。
因?yàn)槲磥淼木W(wǎng)絡(luò)會變得越來越細(xì)，我們需要根據(jù)周圍的場景來進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細(xì)，而不是簡單的覆蓋。5G通信將會應(yīng)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(luò)質(zhì)量。
第二個趨勢是天線設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和復(fù)雜化。
例如波束陣列(實(shí)現(xiàn)空分復(fù)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(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
天線技術(shù)的演進(jìn)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(shè)計(jì)層面的趨勢
對于基站而言，天線設(shè)計(jì)的一大原則就是小型化。
不同系統(tǒng)的天線是設(shè)計(jì)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(diào)諧。
第一代天線是靠機(jī)械來實(shí)現(xiàn)傾角，第三代實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的電調(diào)，5G如果能實(shí)現(xiàn)自調(diào)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(diào)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(shí)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(diǎn)：
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(xué)術(shù)界認(rèn)為不會存在這種情況，但在工業(yè)界確實(shí)存在這個問題;
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;
去相關(guān)性，這一點(diǎn)可以從天線和電路設(shè)計(jì)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(shù)
這包括單個天線的設(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(yīng)用于高頻段，當(dāng)波長非常小的時候，放上一個介質(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，體積會很大。
第四個是MEMS的應(yīng)用。在頻率很低的時候，MEMS可以用作開關(guān)，在手機(jī)終端，如果能對天線進(jìn)行有效的控制、重構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)一個天線多用。
以電磁透鏡為例，這一設(shè)計(jì)引進(jìn)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(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)光從某一個角度入射后，就會在某一個焦平面上產(chǎn)生斑點(diǎn)，這個斑點(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發(fā)生變化。如上圖，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(shí)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(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區(qū)域內(nèi)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(jìn)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(gòu)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(dú)立的通道，整個信道數(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系統(tǒng)的影響，水平方向是天線個數(shù)，假設(shè)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(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(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)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(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，同時也驗(yàn)證了超材料技術(shù)在天線小型化的作用。
毫米波的天線設(shè)計(jì)
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通信里面，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)。
這種天線主要基于兩個技術(shù)：空波導(dǎo)傳輸?shù)臅r候介質(zhì)帶來的損耗很小，所以可以用空波導(dǎo)來進(jìn)行饋源傳輸。但這存在幾個問題，因?yàn)槭强諝獠▽?dǎo)，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(yīng)用場景;另一個是微帶線技術(shù)，它可以大規(guī)模生產(chǎn)，但它本身作為傳輸介質(zhì)的損耗很大，而且很難構(gòu)成大規(guī)模天線陣列。
基于這兩個技術(shù)就可以產(chǎn)生襯底集成的波導(dǎo)技術(shù)。這一技術(shù)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(guān)于介質(zhì)集成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)論文，提到了在很薄的介質(zhì)襯底上實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)，用小柱子擋住電磁波，避免沿著兩邊擴(kuò)。這不難理解，當(dāng)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(shù)在LTCC上做出來的60GHz的天線，增益達(dá)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(yīng)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(shè)計(jì)在封裝(package integrated antenna，即PIA)。
因?yàn)樘炀€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(shè)計(jì)進(jìn)去會增加成本，所以在工程上幾乎無法得到大規(guī)模應(yīng)用。如果用封裝(尺寸比芯片大)作為載體來設(shè)計(jì)天線，不僅能設(shè)計(jì)出單個天線，還能設(shè)計(jì)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(shí)際上，天線不僅可以在封裝內(nèi)部，還可設(shè)計(jì)在封裝的頂部、底部以及周圍。
另外有一點(diǎn)需要注意的問題是，能否用PCB板做天線?答案是肯定的。
關(guān)鍵的瓶頸并不是材料自身，而是材料帶來的設(shè)計(jì)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(jié)
未來天線必須要和系統(tǒng)一起設(shè)計(jì)而不是單獨(dú)設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)，所以天線已經(jīng)成為5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。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(shí)現(xiàn)增益，因此天線不僅僅是一個器件。
精彩問答
Q：國內(nèi)做得好的天線企業(yè)有哪些?5G產(chǎn)業(yè)鏈的配套是否已經(jīng)準(zhǔn)備好?
A：國內(nèi)有很多領(lǐng)先的天線企業(yè)，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(yè)的工廠也在中國。5G現(xiàn)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(xiàn)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(shè)計(jì)需要遵循什么原則?
A：未來5G終端上到底有多少位置可以給我們部署天線是個問題。目前，天線的設(shè)計(jì)還是跟著系統(tǒng)走，系統(tǒng)設(shè)計(jì)好了，才會考慮到天線的位置。從技術(shù)角度來講，離設(shè)備頭部越遠(yuǎn)越好，目前手機(jī)上一般都是雙天線，主天線一般是在下半部，因?yàn)轭^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;第三個是多天線系統(tǒng)，原則上是越遠(yuǎn)越好，但是面積有限，需要靠空間分集、極化分集，盡量減少天線之間的相關(guān)性。
Q：有一種說法是，5G天線就是陣列貼片，陳教授怎么看?
A：如果僅僅是陣列貼片，那整個5G的挑戰(zhàn)就會大大減少，但這要看具體應(yīng)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以后用貼片更適合，但也可以用透鏡天線、波導(dǎo)縫隙天線，因?yàn)楦哳l波導(dǎo)的傳輸?shù)臍W姆損耗是比較小的，所以從整個系統(tǒng)的效率來看，用波導(dǎo)天線也是有可能的。如果僅限于某種形式的天線，會限制天線發(fā)揮的空間。
