5g天线 深度解析：5G与未来天线技术

在过去的二十年里，我们见证了移动通信从1G向4G LTE的转型。在此期间，通信的关键技术正在发生变化，处理的信息量成倍增加。天线是实现这种跨越式提升不可或缺的组成部分。

按照行业的定义，天线是一种换能器，它将在传输线路上传播的导波转换成在无界介质(通常在自由空之间)中传播的电磁波，或者进行相反的转换，即发射或接收电磁波。一般来说，无论是基站还是移动终端，天线都充当着收发信号的中间件。

现在，下一代通信技术——5G已经进入标准制定阶段的尾声，各大运营商也在积极部署5G设备。毫无疑问，5G会给用户带来全新的体验。它的传输速率比4G快十倍，这对天线系统提出了新的要求。在5G通信中，毫米波和波束形成技术是实现高速的关键，但传统天线显然不能满足这一要求。

5G通信需要什么样的天线？这是工程开发人员需要思考的问题。因此，《雷锋物联网技术评论》邀请了新加坡国立大学终身教授乔春明·陈志宁来解释5G移动通信中的未来天线技术。

专家介绍

陈志宁:双博士，新加坡国立大学终身教授，人，国际电工电子研究所天线与通信研究所杰出演讲人；他目前是IEEE射频识别委员会(CRFID)的副主席和杰出的发言人。他发表了500多篇科学论文，包括100多篇IEEE Trans，发表了5篇英文专著，拥有数十项国际天线专利和成功的技术转让。

以下内容摘自陈教授的公开课:

移动通信基站天线的演进及趋势

基站天线是随着网络通信发展起来的，工程师根据网络需求设计不同的天线。因此，在过去几代移动通信技术中，天线技术一直在发展。

第一代移动通信几乎使用全向天线。当时用户数量很少，传输速率很低。当时还是模拟系统。

只有随着第二代移动通信技术，我们才进入蜂窝时代。在这个阶段，天线逐渐演化为定向天线，波瓣宽度一般包括60°，90°，120°。以120为例，它有三个扇区。

20世纪80年代，天线主要是单极化天线，并引入了阵列的概念。虽然全向天线也有阵列，但是平面和定向天线只在垂直阵列中出现在单极化天线中。在形式上，现在的天线和第二代天线非常相似。

1997年，双极化天线(45交叉双极化天线)开始进入历史阶段。此时的天线性能比上一代有了很大的提升，主要趋势是双极化天线，无论是3G还是4G。

在2.5G和3G时代，出现了很多多频段天线。因为此时系统非常复杂，比如GSM、CDMA等需要共存，所以多频段天线是必然趋势。为了降低成本和空，现阶段多频段已经成为主流。

2013年，我们首次推出了多输入多输出天线系统。本来是4×4的MIMO天线。

多输入多输出技术提高了通信容量，此时天线系统进入了一个新的时代，即从最初的单天线到阵列天线和多天线。

但是现在需要看的远一点，5G的部署已经开始了。5G中天线技术会起到什么作用，5G会对天线设计产生什么影响？这是我们需要探索的问题。

以前的天线设计通常是被动的:系统设计完成后，提升指标定制天线。但5G的概念还不清楚，做天线设计的R&D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技术影响5G的标准定制和开发。

从过去几年与移动通信公司合作交流的经验来看，未来基站天线有两大趋势。

首先是从无源天线到有源天线系统。

这意味着天线可以是智能的、小型化的(共同设计的)和定制的。

因为未来网络会越来越细，需要根据周边场景定制设计。比如市区的车站布局会更细致，而不是简单的覆盖。5G通信会使用高频带，障碍物对通信影响很大。定制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(实现空波分复用)、多波束和多/高频带。这些都对天线提出了很高的要求，这将涉及到整个系统和相互兼容性。在这种情况下，天线技术已经超越了组件的概念，逐渐进入系统设计。

天线技术的演变过程:从单阵列天线到多阵列到多单元，从无源到有源系统，从简单的MIMO到大规模的MIMO系统，从简单的固定波束到多波束。

设计层面的趋势

对于基站来说，天线设计的原则之一就是小型化。

不同系统的天线是一起设计的。为了降低成本和节省空，有必要使天线多频带、宽带、多波束、多输入多输出/海量多输入多输出，以及多输入多输出对天线的隔离程度。海量MIMO对天线混合耦合有一些特殊要求。

此外，天线需要可调。

第一代天线通过机械实现倾斜角度，第三代实现远程电动调节。如果5G能实现自调，那就很有吸引力了。

对于移动终端，对天线的要求是小型化、多波段、宽带和可调。虽然现在有这些功能，但是对5G的要求会更严格。

此外，5G移动通信的天线面临着一个新的问题——共存。

为了实现海量的多输入多输出，需要多根天线进行接收和发送，即同一频率上的多根天线(8根天线，16根天线，...).这种多天线系统带来的最大挑战是共存。

如何减少耦合的相互影响以及如何增加通道隔离...这就对5G终端天线提出了新的要求。

具体来说，它将涉及以下三点:

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；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；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

这包括单天线的设计和系统级的技术，如多波束、波束形成、有源天线阵、海量多输入多输出等。

从具体的天线设计来看，从基于超材料的概念发展而来的技术将大有裨益。目前超材料已经在3G、4G领域取得了小型化、低剖面、高增益、低频段等成功。

第二，基板或封装集成天线。这些天线主要用于频率较高的频段，即毫米波频段。虽然天线在高频带的尺寸很小，但天线本身的损耗很大，所以最好将天线与基板或终端上较小的封装集成在一起。

第三种是电磁透镜。镜头主要用于高频带。当波长很小时，放一个介质就可以实现聚焦功能。高频天线尺寸不大，但是微波波段的波长很长，使得镜头很难使用，尺寸也很大。

第四是MEMS的应用。频率很低的时候，可以用MEMS做开关。在移动电话终端中，如果天线能够得到有效的控制和重构，一根天线可以用于多种目的。

本设计以电磁透镜为例，引入了一个概念:在多元天线阵前放置一个电磁透镜(在微波或毫米波的低频带与传统光学透镜不同)。当光从某个角度入射时，在某个焦平面上会产生一个光斑，大量的能力会集中在这个光斑上，也就是说整个能力的主要部分会在很小的区域内被接收。

当入射方向改变时，焦平面上的光斑位置也会改变。如上图所示，当投射角度时，产生黑色的能量分布。如果以一定的角度θ(红色)入射，主能量偏离黑色区域。

这个概念可以用来区分能量来自哪里，入射方向和能量在阵列或焦平面上的位置是一一对应的。相反，当天线在不同位置激励时，天线会向不同方向辐射，也是一一对应的。

如果用多个单元在焦平面上辐射，就可以产生多个载波波束的辐射，称为波束形成；如果在这些光束之间切换，就会出现光束扫描的现象；如果同时使用这些天线，可以实现大规模的多输入多输出。这个阵列可以非常大，但是每个波束上只能使用几个阵列来实现高增益辐射。

如果普通阵列有相同的孔径，那么每次接收到的能量就是所有单元都必须在这个区域接收能量，如果大区域只放置一个单元，那么接收到的能量只是很小的一部分；与普通阵列不同的是，所有的能量只能被几个孔径相同的单元接收而没有任何损失。当从不同的角度进来时，能量可以同时在不同的地方被接收。

这大大简化了整个系统。如果一次只有一个方向，那么只有一个本地天线可以工作，减少了同时工作的天线数量。但子阵的概念不同，使得局部多天线构成子阵，通道数随着子阵元的增加而减少。比如把一个10×10的阵列换成5×5的子阵列，就只有4个独立的通道，通道总数就会减少。

上图右侧是基带上计算的镜头对系统的影响。水平方向是天线的数量。假设在水平方向上线性阵列有20个单元，那么只使用5个单元来接收聚焦的能量比不使用透镜而使用全部20个单元要好。前者通信质量更高，成本和功耗更低。即使在最坏的情况下，当波从四面八方入射时，这20个单位的效果也和后者一样。因此，使用透镜可以提高天线的性能——使用少量的天线就可以达到过去大阵列的效果。

从这个PPT可以看出，电磁透镜可以降低成本，降低复杂度，提高辐射效率，同时也增加了天线阵的滤波特性(屏蔽干扰信号)。

这个PPT显示了在28GHz毫米波波段使用的天线，七个单位天线用作馈电。

如左图所示，前透镜是超材料制成的屏幕透镜，用两层PCB雕刻成不同的形状来调整相位，实现特定方向的聚焦。在右侧，我们可以看到七个辐射元件的性能。波瓣宽度6.8，旁瓣18dB以下，增益24-25dB。

本实验验证了电磁透镜在基站中的应用，也验证了超材料技术在天线小型化中的作用。

毫米波天线设计

众所周知，5G会有两个频段，低频带和毫米波带，毫米波波长短，损耗大，所以5G通信必须解决这个问题。

第一种方案是基片集成天线(SIA)。

这种天线主要基于两种技术:空波导在传输时损耗很小，所以空波导可以用于馈电传输。但是有几个问题，因为是一个空空气波导，体积很大，不能和其他电路集成，所以更适合大功率、大体积的应用场景；另一种是微带线技术，可以大规模生产，但其作为传输介质的损耗很高，很难形成大规模的天线阵。

基于这两种技术，可以生产衬底集成波导技术。这项技术最早是由日本工业界提出的。1998年，他们发表了第一篇关于介质集成波导结构的论文，其中提到在非常薄的介质基片上实现波导，用小柱子阻挡电磁波，避免沿两边传播。不难理解，当两个小支柱之间的距离小于四分之一波长时，能量不会泄漏出去，可以形成高效率、高增益、低剖面、低成本、易集成、低损耗的天线。

上图右下方是采用该技术在LTCC制造的60GHz天线，增益为25dB，尺寸为8×8个单位。

该方案适用于毫米波在基站中的应用，在移动终端中还有另一种方案。

第二种解决方案是设计封装集成天线(PIA)中的天线。

因为天线在芯片上最大的问题是损耗太大，芯片本身尺寸很小，天线的设计会增加成本，所以在工程上很难大规模使用。如果用封装(大于芯片)作为载体来设计天线，不仅可以设计单个天线，还可以设计天线阵，避免了直接在硅上制作天线的体积、损耗和成本的限制。

另一个需要注意的问题是，PCB能否作为天线使用。答案是肯定的。

关键瓶颈不是材料本身，而是材料带来的设计和加工问题。但是PCB只适合60GHz以下的频段，60GHz以后推荐LTCC，但是200GHz以后LTCC也有瓶颈。

摘要

未来，天线必须与系统一起设计，而不是分开设计。甚至可以说，天线会成为5G的瓶颈。如果不突破这个瓶颈，就无法实现系统上的信号处理，因此天线成为5G移动通信系统的关键技术。天线不仅是辐射器，还具有滤波特性、放大特性和干扰抑制特性。它不需要能量来实现增益，所以天线不仅仅是一个设备。

精彩问答

问:国内有哪些好的天线企业？5G产业链的支撑体系准备好了吗？

答:国内领先的天线企业很多。世界上最好的基站天线厂商有七十八家在中国，另外几家外资企业的工厂也在中国。5G的方案有很多，我们也不确定最终会用哪一种，但目前现有的设备基本可以满足要求。

问:未来5G终端的天线位置设计应该遵循哪些原则？

答:未来5G终端上有多少位置可以为我们部署天线，这是个问题。目前天线设计还是跟着系统走，系统设计好了才考虑天线位置。从技术角度来说，离设备头部越远越好。目前手机上一般都是双天线，主天线一般在下半部，因为头部吸收和阻挡能量；此外，尽可能共享天线，以减少天线占用的空空间；三是多天线系统。原则上，距离越远越好，但有限的面积需要空之间的分集和极化分集，以最小化天线之间的相关性。

问:有句话说5G天线是阵列贴片。陈教授怎么看？

答:如果只是阵列补丁的话，整个5G的挑战性会大大降低，但要看具体应用。5G通信的最低频段是3GHz，和LTE差不多，还需要天线一段时间。如果超过5GHz，可以使用贴片或贴片，但28GHz后贴片更合适，但也可以使用透镜天线和波导缝隙天线。由于高频波导传输的欧姆损耗相对较小，所以从整个系统的效率来看，也可以使用波导天线。如果限于某一类型的天线，会限制天线播放空的范围。