深度解析5G与未来天线技术

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过去二十年,我们见证了移动通信从1G到4G LTE的转变。在这期间,通信的关键技术在发生变化,处理的信息量成倍增长。而天线,是实现这一跨越式提升不可或缺的组件。
 
按照业界的定义,天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换,也就是发射或接收电磁波。通俗点说,无论是基站还是移动终端,天线都是充当发射信号和接收信号的中间件。
 
现在,下一代通信技术——5G已经进入了标准制定阶段的尾声,各大运营商也正在积极地部署5G设备。毋庸置疑,5G将给用户带来全新的体验,它拥有比4G快十倍的传输速率,对天线系统提出了新的要求。在5G通信中,实现高速率的关键是毫米波以及波束成形技术,但传统的天线显然无法满足这一需求。
 
5G通信到底需要什么样的天线?这是工程开发人员需要思考的问题。为此雷锋网IoT科技评论邀请了新加坡国立大学终身教授、IEEE Fellow陈志宁为大家讲解5G移动通信中的未来天线技术。
 
移动通信基站天线的演进及趋势
 
基站天线是伴随着网络通信发展起来的,工程人员根据网络需求来设计不同的天线。因此,在过去几代移动通信技术中,天线技术也一直在演进。
 
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第一代移动通信几乎用的都是全向天线,当时的用户数量很少,传输的速率也较低,这时候还属于模拟系统。
 
到了第二代移动通信技术,我们才进入了蜂窝时代。这一阶段的天线逐渐演变成了定向天线,一般波瓣宽度包含60°和90°以及120°。以120°为例,它有三个扇区。
 
八十年代的天线还主要以单极化天线为主,而且已经开始引入了阵列概念。虽然全向天线也有阵列,但只是垂直方向的阵列,单极化天线就出现了平面和方向性的天线。从形式来看,现在的天线和第二代的天线非常相似。
 
1997年,双极化天线(±45°交叉双极化天线)开始走上历史舞台。这时候的天线性能相比上一代有了很大的提升,不管是3G还是4G,主要潮流都是双极化天线。
 
到了2.5G和3G时代,出现了很多多频段的天线。因为这时候的系统很复杂,例如GSM、CDMA等等需要共存,所以多频段天线是一个必然趋势。为了降低成本以及空间,多频段在这一阶段成为了主流。
 
到了2013年,我们首次引入了MIMO(多入多出技术,Multiple-Input Multiple-Output)天线系统。最初是4×4 MIMO天线。
 
MIMO技术提升了通信容量,这时候的天线系统就进入了一个新的时代,也就是从最初的单个天线发展到了阵列天线和多天线。
 
但是,现在我们需要把目光投向远方,5G的部署工作已经启动了,天线技术在5G会扮演一个什么样的角色,5G对天线设计会产生什么影响?这是我们需要探索的问题。
 
过去天线的设计通常很被动:系统设计完成后再提指标来定制天线。不过5G现在的概念仍然不明确,做天线设计的研发人员需要提前做好准备,为5G通信系统提供解决方案,甚至通过新的天线方案或者技术来影响5G的标准定制以及发展。
 
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从过去几年和移动通信公司的合作交流经验来看,未来基站天线有两大趋势。
 
第一是从无源天线到有源天线系统。
 
这就意味着天线可能会实现智能化、小型化(共设计)、定制化。
 
因为未来的网络会变得越来越细,我们需要根据周围的场景来进行定制化的设计,例如在城市区域内布站会更加精细,而不是简单的覆盖。5G通信将会应用高频段,障碍物会对通信产生很大的影响,定制化的天线可以提供更好的网络质量。
 
第二个趋势是天线设计的系统化和复杂化。
 
例如波束阵列(实现空分复用)、多波束以及多/高频段。这些都对天线提出了很高的要求,它会涉及到整个系统以及互相兼容的问题,在这种情况下天线技术已经超越了元器件的概念,逐渐进入了系统的设计。
 
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天线技术的演进过程:最早从单个阵列的天线,到多阵列再到多单元,从无源到有源的系统,从简单的MIMO到大规模MIMO系统,从简单固定的波束到多波束。
 
设计层面的趋势
 
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对于基站而言,天线设计的一大原则就是小型化。
 
不同系统的天线是设计在一起的,为了降低成本、节省空间就要做得足够小,所以就需要天线是多频段、宽频段、多波束、MIMO/Massive MIMO,MIMO对天线的隔离度。Massive MIMO对天线的混互耦都有一些特殊的要求。
 
另外,天线还需要可调谐。
 
第一代天线是靠机械来实现倾角,第三代实现了远程的电调,5G如果能实现自调谐,是非常有吸引力的。
 
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对于移动终端而言,对天线的要求也是小型化、多频段、宽频段、可调谐。虽然这些特性现在也有,但5G的要求会更加苛刻。
 
除此之外,5G移动通信的天线还面临了一个新的问题——共存。
 
实现Massive MIMO,收发都需要多天线,也就是同频多天线(8天线、16天线...)。这样的多天线系统给终端带来最大的挑战就是共存问题。
 
怎样降低相互之间的影响以耦合,如何增加信道的隔离度....这对5G终端天线提出了新的要求。
 
具体来说会涉及以下三点:
 
1. 降低相互的影响,特别是不同功能模块,不同频段之间的互相干扰,之前学术界认为不会存在这种情况,但在工业界确实存在这个问题;
 
2. 去耦,在MIMO系统里面,天线的互耦不仅仅会降低信道的隔离度,还会降低整个系统的辐射效率。另外,我们不能指望完全依赖于高频段毫米波来解决性能上的增长,例如25GHz、28GHz...60GHz都存在系统上的问题;
 
3. 去相关性,这一点可以从天线和电路设计配合来解决,不过通过电路来解决方案带宽非常受限,很难满足所有频段的带宽。
 
 
5G系统的天线技术
 
这包括单个天线的设计以及系统层面上的技术,系统层面的上文有提到,例如多波束、波束成形、有源天线阵、Massive MIMO等。
 
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从具体天线设计来看,超材料为基础的概念发展出来的技术将会大有裨益。目前超材料已经在3G和4G上取得了成功,例如实现了小型化、低轮廓、高增益和款频段。
 
第二个是,衬底或者封装集成天线。这些天线主要用在频率比较高的频段,也就是毫米波频段。虽然高频段的天线尺寸很小,但天线本身的损耗非常大,所以在终端上最好把天线和衬底集成或者更小的封装集成。
 
第三个是电磁透镜。透镜主要应用于高频段,当波长非常小的时候,放上一个介质可以去到聚焦的作用,高频天线体积并不大,但是微波段的波长很长,这就导致透镜很难使用,体积会很大。
 
第四个是MEMS的应用。在频率很低的时候,MEMS可以用作开关,在手机终端,如果能对天线进行有效的控制、重构,就可以实现一个天线多用。
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