原创《：5G和未来天线技术》
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徐令彬 山西通信通达微波技术有限公司
简介：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.
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）、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,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.
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.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.
具体来说会涉及以下三点：
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.
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.
以电磁透镜为例,这一设计引进了一个概念：在多单元的天线阵列前面放了一个电磁透镜（这里指应用于微波或毫米波低端频段的透镜,与传统光学透镜不同）,当光从某一个角度入射后,就会在某一个焦平面上产生斑点,这个斑点上就集中了大量的能力,这就意味着在很小的区域内把整个能力的主要部分接收下来.
用这个概念可以区分能量是从哪里来的,入射的方向和能量在阵列上或者焦平面上的位置是一一对应的.反之,在不同的位置激励天线,天线就会辐射不同的方向,这也是一一对应的.如果用多个单元在焦平面上辐射,就可以产生多个载波束的辐射,也就是所谓的波束成形；如果在这些波束之间进行切换,就出现波束扫描的现象；如果这些天线同时用,就可以实现 Massive MIMO.这个阵列可以很大,但在每个波束上只要用很少的阵列就可以实现高增益的辐射.
普通的阵列如果有同样大小的口径,每次收到的能量是要所有的单元必须在这个区域内接收能量,如果在很大区域只放一个单元收到的能量只是非常小的一部分；和普通阵列不同的是,同样的口径在没有任何损耗的情况下,只用很少的单元就可以接收到所有的能量,不同的角度进来,这些能量可以被不同的地方同时接收.
未来论文参考资料：
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