過去二十年
，我們見證了移動通信從1G到4G LTE的轉變。在這期間，通信的關鍵技術在發生變化，處理的信息量成倍增長。而天線，是實現這一跨越式提升不可或缺的組件。

 

 

按照業界的定義
，天線是一種變換器

，它把傳輸線上傳播的導行波變換成在無界媒介（通常是自由空間）中(zhong)傳(chuan)播(bo)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)，或(huo)者(zhe)進(jin)行(xing)相(xiang)反(fan)的(de)變(bian)換(huan)
，也(ye)就(jiu)是(shi)發(fa)射(she)或(huo)接(jie)收(shou)電(dian)磁(ci)波(bo)。通(tong)俗(su)點(dian)說(shuo)，無(wu)論(lun)是(shi)基(ji)站(zhan)還(hai)是(shi)移(yi)動(dong)終(zhong)端(duan)，天(tian)線(xian)都(dou)是(shi)充(chong)當(dang)發(fa)射(she)信(xin)號(hao)和(he)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)的(de)中(zhong)間(jian)件(jian)。

 

現在
，下一代通信技術——5G已經進入了標準製定階段的尾聲，各大運營商也正在積極地部署5G設備。毋庸置疑
，5G將給用戶帶來全新的體驗，它擁有比4G快十倍的傳輸速率
，對天線係統提出了新的要求。在5G通信中
，實現高速率的關鍵是毫米波以及波束成形技術，但傳統的天線顯然無法滿足這一需求。

 

5G通信到底需要什麼樣的天線？這是工程開發人員需要思考的問題。為此雷鋒網IoT科技評論邀請了新加坡國立大學終身教授、IEEE Fellow陳誌寧為大家講解5G移動通信中的未來天線技術。

 

移動通信基站天線的演進及趨勢

 

基ji站zhan天tian線xian是shi伴ban隨sui著zhe網wang絡luo通tong信xin發fa展zhan起qi來lai的de，工gong程cheng人ren員yuan根gen據ju網wang絡luo需xu求qiu來lai設she計ji不bu同tong的de天tian線xian。因yin此ci
，在zai過guo去qu幾ji代dai移yi動dong通tong信xin技ji術shu中zhong，天tian線xian技ji術shu也ye一yi直zhi在zai演yan進jin。

 

 

第一代移動通信幾乎用的都是全向天線
，當時的用戶數量很少，傳輸的速率也較低
，這時候還屬於模擬係統。

 

到了第二代移動通信技術，我們才進入了蜂窩時代。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。

 

八ba十shi年nian代dai的de天tian線xian還hai主zhu要yao以yi單dan極ji化hua天tian線xian為wei主zhu，而er且qie已yi經jing開kai始shi引yin入ru了le陣zhen列lie概gai念nian。雖sui然ran全quan向xiang天tian線xian也ye有you陣zhen列lie

，但dan隻zhi是shi垂chui直zhi方fang向xiang的de陣zhen列lie，單dan極ji化hua天tian線xian就jiu出chu現xian了le平ping麵mian和he方fang向xiang性xing的de天tian線xian。從cong形xing式shi來lai看kan
，現xian在zai的de天tian線xian和he第di二er代dai的de天tian線xian非fei常chang相xiang似si。

 

1997年
，雙極化天線（±45°交叉雙極化天線）開始走上曆史舞台。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
，出現了很多多頻段的天線。因為這時候的係統很複雜，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
，Multiple-Input Multiple-Output）天線係統。最初是4×4 MIMO天線。

 

MIMO技術提升了通信容量
，這時候的天線係統就進入了一個新的時代
，也就是從最初的單個天線發展到了陣列天線和多天線。

 

但是，現在我們需要把目光投向遠方，5G的部署工作已經啟動了，天線技術在5G會扮演一個什麼樣的角色

，5G對天線設計會產生什麼影響
？這是我們需要探索的問題。

 

過去天線的設計通常很被動：係統設計完成後再提指標來定製天線。不過5G現在的概念仍然不明確，做天線設計的研發人員需要提前做好準備

，為5G通信係統提供解決方案，甚至通過新的天線方案或者技術來影響5G的標準定製以及發展。

 

 

從過去幾年和移動通信公司的合作交流經驗來看，未來基站天線有兩大趨勢。

 

第一是從無源天線到有源天線係統。

 

這就意味著天線可能會實現智能化、小型化（共設計）、定製化。

 

yinweiweilaidewangluohuibiandeyuelaiyuexi，womenxuyaogenjuzhouweidechangjinglaijinxingdingzhihuadesheji
，liruzaichengshiquyuneibuzhanhuigengjiajingxi，erbushijiandandefugai。5G通信將會應用高頻段，障礙物會對通信產生很大的影響，定製化的天線可以提供更好的網絡質量。

 

第二個趨勢是天線設計的係統化和複雜化。

 

例如波束陣列（實現空分複用）、多波束以及多/gaopinduan。zhexiedouduitianxiantichulehengaodeyaoqiu，tahuishejidaozhenggexitongyijihuxiangjianrongdewenti
，zaizhezhongqingkuangxiatianxianjishuyijingchaoyueleyuanqijiandegainian，zhujianjinrulexitongdesheji。

 

 

天線技術的演進過程：最早從單個陣列的天線
，到多陣列再到多單元
，從無源到有源的係統，從簡單的MIMO到大規模MIMO係統
，從簡單固定的波束到多波束。

 

設計層麵的趨勢

 

 

對於基站而言，天線設計的一大原則就是小型化。

 

不同係統的天線是設計在一起的
，為了降低成本、節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
，天線還需要可調諧。

 

第一代天線是靠機械來實現傾角，第三代實現了遠程的電調，5G如果能實現自調諧
，是非常有吸引力的。

 

 

對於移動終端而言
，對天線的要求也是小型化
、多頻段、寬頻段
、可調諧。雖然這些特性現在也有，但5G的要求會更加苛刻。

 

除此之外，5G移動通信的天線還麵臨了一個新的問題——共存。

 

實現Massive MIMO，收發都需要多天線，也就是同頻多天線（8天線、16天線...）。這樣的多天線係統給終端帶來最大的挑戰就是共存問題。

 

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：

 

1.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幹擾
，之前學術界認為不會存在這種情況，但在工業界確實存在這個問題
；

 

2.去耦，在MIMO係xi統tong裏li麵mian
，天tian線xian的de互hu耦ou不bu僅jin僅jin會hui降jiang低di信xin道dao的de隔ge離li度du，還hai會hui降jiang低di整zheng個ge係xi統tong的de輻fu射she效xiao率lv。另ling外wai
，我wo們men不bu能neng指zhi望wang完wan全quan依yi賴lai於yu高gao頻pin段duan毫hao米mi波bo來lai解jie決jue性xing能neng上shang的de增zeng長chang
，例li如ru25GHz
、28GHz...60GHz都存在係統上的問題；

 

3.去相關性，這一點可以從天線和電路設計配合來解決，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係統的天線技術

 

這包括單個天線的設計以及係統層麵上的技術，係統層麵的上文有提到，例如多波束、波束成形
、有源天線陣、Massive MIMO等。

 

 

從具體天線設計來看
，超材料為基礎的概念發展出來的技術將會大有裨益。目前超材料已經在3G和4G上取得了成功，例如實現了小型化
、低輪廓、高增益和款頻段。

 

第(di)二(er)個(ge)是(shi)，襯(chen)底(di)或(huo)者(zhe)封(feng)裝(zhuang)集(ji)成(cheng)天(tian)線(xian)。這(zhe)些(xie)天(tian)線(xian)主(zhu)要(yao)用(yong)在(zai)頻(pin)率(lv)比(bi)較(jiao)高(gao)的(de)頻(pin)段(duan)
，也(ye)就(jiu)是(shi)毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)段(duan)。雖(sui)然(ran)高(gao)頻(pin)段(duan)的(de)天(tian)線(xian)尺(chi)寸(cun)很(hen)小(xiao)，但(dan)天(tian)線(xian)本(ben)身(shen)的(de)損(sun)耗(hao)非(fei)常(chang)大(da)，所(suo)以(yi)在(zai)終(zhong)端(duan)上(shang)最(zui)好(hao)把(ba)天(tian)線(xian)和(he)襯(chen)底(di)集(ji)成(cheng)或(huo)者(zhe)更(geng)小(xiao)的(de)封(feng)裝(zhuang)集(ji)成(cheng)。

 

第(di)三(san)個(ge)是(shi)電(dian)磁(ci)透(tou)鏡(jing)。透(tou)鏡(jing)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)於(yu)高(gao)頻(pin)段(duan)，當(dang)波(bo)長(chang)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)時(shi)候(hou)，放(fang)上(shang)一(yi)個(ge)介(jie)質(zhi)可(ke)以(yi)去(qu)到(dao)聚(ju)焦(jiao)的(de)作(zuo)用(yong)，高(gao)頻(pin)天(tian)線(xian)體(ti)積(ji)並(bing)不(bu)大(da)，但(dan)是(shi)微(wei)波(bo)段(duan)的(de)波(bo)長(chang)很(hen)長(chang)，這(zhe)就(jiu)導(dao)致(zhi)透(tou)鏡(jing)很(hen)難(nan)使(shi)用(yong)
，體(ti)積(ji)會(hui)很(hen)大(da)。

 

第四個是MEMS的應用。在頻率很低的時候，MEMS可以用作開關，在手機終端
，如果能對天線進行有效的控製
、重構，就可以實現一個天線多用。

 

 

以電磁透鏡為例
，這一設計引進了一個概念：在多單元的天線陣列前麵放了一個電磁透鏡（這裏指應用於微波或毫米波低端頻段的透鏡

，與傳統光學透鏡不同），dangguangcongmouyigejiaodurushehou
，jiuhuizaimouyigejiaopingmianshangchanshengbandian，zhegebandianshangjiujizhongledaliangdenengli

，zhejiuyiweizhezaihenxiaodequyuneibazhenggenenglidezhuyaobufenjieshouxialai。

 

 

dangrushefangxiangbianhua
，bandianzaijiaopingmianshangdeweizhiyehuifashengbianhua。rushangtu
，dangjiaoduzhengtoushedeshihou，chanshengleheiyansedenengliangfenbu，ruguoshianzhaomougejiaoduθ入射（紅顏色），主要能量就偏離了黑顏色區域。

 

yongzhegegainiankeyiqufennengliangshicongnalilaide，rushedefangxianghenengliangzaizhenlieshanghuozhejiaopingmianshangdeweizhishiyiyiduiyingde。fanzhi
，zaibutongdeweizhijilitianxian
，tianxianjiuhuifushebutongdefangxiang
，zheyeshiyiyiduiyingde。

 

如果用多個單元在焦平麵上輻射，就可以產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行切換，就出現波束掃描的現象
；如果這些天線同時用，就可以實現Massive MIMO。這個陣列可以很大，但在每個波束上隻要用很少的陣列就可以實現高增益的輻射。

 

putongdezhenlieruguoyoutongyangdaxiaodekoujing，meicishoudaodenengliangshiyaosuoyoudedanyuanbixuzaizhegequyuneijieshounengliang，ruguozaihendaquyuzhifangyigedanyuanshoudaodenengliangzhishifeichangxiaodeyibufen；heputongzhenliebutongdeshi，tongyangdekoujingzaimeiyourenhesunhaodeqingkuangxia
，zhiyonghenshaodedanyuanjiukeyijieshoudaosuoyoudenengliang
，butongdejiaodujinlai
，zhexienengliangkeyibeibutongdedifangtongshijieshou。

 

這(zhe)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)了(le)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)，如(ru)果(guo)每(mei)次(ci)工(gong)作(zuo)隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)方(fang)向(xiang)的(de)時(shi)候(hou)，隻(zhi)要(yao)一(yi)個(ge)局(ju)部(bu)的(de)天(tian)線(xian)工(gong)作(zuo)就(jiu)可(ke)以(yi)
，這(zhe)就(jiu)減(jian)少(shao)了(le)同(tong)時(shi)工(gong)作(zuo)天(tian)線(xian)的(de)個(ge)數(shu)。而(er)子(zi)陣(zhen)的(de)概(gai)念(nian)不(bu)同(tong)

，它(ta)是(shi)讓(rang)局(ju)部(bu)多(duo)天(tian)線(xian)構(gou)成(cheng)子(zi)陣(zhen)
，這(zhe)時(shi)候(hou)通(tong)道(dao)數(shu)是(shi)隨(sui)著(zhe)子(zi)陣(zhen)單(dan)元(yuan)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)減(jian)少(shao)的(de)。例(li)如(ru)10×10的陣列，如果用5×5變成子陣的話，那麼就變成了隻有四個獨立的通道，整個信道數也就減少了。

 

上圖右側顯示的是在基帶上算出來透鏡對係統的影響
，水平方向是天線個數，假設水平方向上一個線陣有20個單元，用透鏡的情況下，隻用5個單元去接受被聚焦後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個單元都用上和後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，達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
、降低複雜度、增加輻射效率
，還可以增加天線陣列的濾波特性（屏蔽幹擾信號）等等。

 

 

這張PPT展示的是用在28GHz毫米波頻段上的天線，並且用了7個單元天線作為饋源。

 

如左側所示，前麵的透鏡是用超材料製成的屏幕透鏡，用兩層PCB刻成不同的形狀進行相位的調整，以實現特定方向的聚焦。右側可以看出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。

 

這一實驗驗證了電磁透鏡在基站上的應用，同時也驗證了超材料技術在天線小型化的作用。

 

毫米波的天線設計

 

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通信裏麵，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）。

 

這種天線主要基於兩個技術：kongbodaochuanshudeshihoujiezhidailaidesunhaohenxiao
，suoyikeyiyongkongbodaolaijinxingkuiyuanchuanshu。danzhecunzaijigewenti，yinweishikongqibodao
，chicunfeichangda，erqiewufaheqitadianlujicheng，suoyibijiaoshihegaogonglv
、大體積的應用場景；另一個是微帶線技術
，它可以大規模生產，但它本身作為傳輸介質的損耗很大，而且很難構成大規模天線陣列。

 

基於這兩個技術就可以產生襯底集成的波導技術。這一技術最早由日本工業界提出來，他們在1998nianfabiaolediyipianguanyujiezhijichengdebodaojiegoulunwen，tidaolezaihenbodejiezhichendishangshixianbodao，yongxiaozhuzidangzhudiancibo
，bimianyanzheliangbiankuo。zhebunanlijie，danglianggexiaozhuzidejianjuxiaoyusifenzhiyibochangdeshihou
，nengliangjiubuhuixieluchuqu，zhejiukeyixingchenggaoxiaolv、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在LTCC上做出來的60GHz的天線，增益達到了25dB，尺寸8×8單元。

 

這一方案是適合於毫米波在基站上的應用，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計在封裝(package integrated antenna，即PIA)。

 

因yin為wei天tian線xian在zai芯xin片pian上shang最zui大da的de問wen題ti就jiu是shi損sun耗hao太tai大da

，而er且qie芯xin片pian本ben身shen的de尺chi寸cun很hen小xiao
，把ba天tian線xian設she計ji進jin去qu會hui增zeng加jia成cheng本ben，所suo以yi在zai工gong程cheng上shang幾ji乎hu無wu法fa得de到dao大da規gui模mo應ying用yong。如ru果guo用yong封feng裝zhuang（尺寸比芯片大）作為載體來設計天線，不僅能設計出單個天線，還能設計天線陣列，這就避免了矽上直接做天線在體積、損耗和成本上的限製。

 

另外有一點需要注意的問題是
，能否用PCB板做天線
？答案是肯定的。

 

關鍵的瓶頸並不是材料自身，而是材料帶來的設計問題和加工上的問題。不過PCB隻適合在60GHz以下的頻段
，在60GHz以後推薦用LTCC，但到200GHz後，LTCC也存在瓶頸。

 

 

總結

 

未來天線必須要和係統一起設計而不是單獨設計，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，係統上的信號處理都無法實現，所以天線已經成為5G移動通信係統的關鍵技術。天線不隻是一個輻射器
，它有濾波特性、放大作用、抑製幹擾信號，它不需要能量來實現增益，因此天線不僅僅是一個器件。

 

精彩問答

 

Q：國內做得好的天線企業有哪些
？5G產業鏈的配套是否已經準備好
？

 

A：國內有很多領先的天線企業，全世界最好的基站天線廠商十有七八在中國，其它幾家外資企業的工廠也在中國。5G現在有很多方案
，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

，天線位置的設計需要遵循什麼原則？

 

A：未來5G終(zhong)端(duan)上(shang)到(dao)底(di)有(you)多(duo)少(shao)位(wei)置(zhi)可(ke)以(yi)給(gei)我(wo)們(men)部(bu)署(shu)天(tian)線(xian)是(shi)個(ge)問(wen)題(ti)。目(mu)前(qian)，天(tian)線(xian)的(de)設(she)計(ji)還(hai)是(shi)跟(gen)著(zhe)係(xi)統(tong)走(zou)
，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)好(hao)了(le)
，才(cai)會(hui)考(kao)慮(lv)到(dao)天(tian)線(xian)的(de)位(wei)置(zhi)。從(cong)技(ji)術(shu)角(jiao)度(du)來(lai)講(jiang)
，離(li)設(she)備(bei)頭(tou)部(bu)越(yue)遠(yuan)越(yue)好(hao)，目(mu)前(qian)手(shou)機(ji)上(shang)一(yi)般(ban)都(dou)是(shi)雙(shuang)天(tian)線(xian)，主(zhu)天(tian)線(xian)一(yi)般(ban)是(shi)在(zai)下(xia)半(ban)部(bu)
，因(yin)為(wei)頭(tou)對(dui)能(neng)量(liang)有(you)吸(xi)收(shou)遮(zhe)擋(dang)；另外，天線之間盡量共用，減少天線占用的空間；第三個是多天線係統，原則上是越遠越好，但是麵積有限，需要靠空間分集、極化分集，盡量減少天線之間的相關性。

 

Q：有一種說法是
，5G天線就是陣列貼片，陳教授怎麼看
？

 

A：如果僅僅是陣列貼片，那整個5G的挑戰就會大大減少，但這要看具體應用。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以後用貼片更適合，但也可以用透鏡天線、bodaofengxitianxian，yinweigaopinbodaodechuanshudeoumusunhaoshibijiaoxiaode，suoyicongzhenggexitongdexiaolvlaikan，yongbodaotianxianyeshiyoukenengde。ruguojinxianyumouzhongxingshidetianxian，huixianzhitianxianfahuidekongjian

 

來自：硬創公開課

 

 

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