深度解析5G与未来天线技术

分享到:

 

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。
 
1
 
 
 
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。
 
2
 
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。
 
3
 
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
 
4
 
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。
 
5
 
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。
 
6
 
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。
继续阅读
爱立信:5G更多的是需要由应用来驱动

在近日于乌镇举行的第五届世界互联网大会“5G时代:开放合作 共创未来”论坛上,爱立信东北亚区副总裁兼数字服务事业群总经理申宁山博士(Dr.Sinisa Krajnovic)表示,未来5G行业将更多是由应用而非技术来驱动。

三星的5G目标:2020年控制全球5G网络设备市场20%的份额

据《韩国先驱报》北京时间11月15日报道,三星电子网络业务主管表示,三星的目标是在2020年控制全球5G网络设备市场20%的份额。

到底什么是5G CPE?

一直以来,我们都喜欢把手机叫做终端,把终端叫做手机。按他的说法理解,这个CPE,不是手机,是终端,那它到底是个什么东东呢?

1万个5G基站!上海2020年底将率先开通5G

海市人民政府办公厅发布《关于转发市经济信息化委制订的<上海市推进新一代信息基础设施建设助力提升城市能级和核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)>的通知》(以下简称“《通知》”)。《通知》显示,到2020年底,上海将率先完成“双千兆宽带城市”建设,5G率先开展商用,IPv6、网络智能化改造和新型工业互联网络实现规模部署。

5G承载网的商业模式

GSMA预计,2025年全球5G连接数将达11亿,全球三分之一的人口将连接到5G网络。随着5G产业的成熟,5G将使能万物互联和数字化,运营商市场也将从个人、家庭领域延伸到行业领域,垂直行业将与ICT进行深度融合。