過(guò)去二十年，我們見(jiàn)證了移動(dòng)通信從1G到4G LTE的轉(zhuǎn)變。在這期間，通信的關(guān)鍵技術(shù)在發(fā)生變化，處理的信息量成倍增長(zhǎng)。而天線(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)這一跨越式提升不可或缺的組件。

按照業(yè)界的定義，天線(xiàn)是一種變換器，它把傳輸線(xiàn)上傳播的導(dǎo)行波變換成在無(wú)界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換，也就是發(fā)射或接收電磁波。通俗點(diǎn)說(shuō)，無(wú)論是基站還是移動(dòng)終端，天線(xiàn)都是充當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的中間件。

現(xiàn)在，下一代通信技術(shù)——5G已經(jīng)進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)制定階段的尾聲，各大運(yùn)營(yíng)商也正在積極地部署5G設(shè)備。毋庸置疑，5G將給用戶(hù)帶來(lái)全新的體驗(yàn)，它擁有比4G快十倍的傳輸速率，對(duì)天線(xiàn)系統(tǒng)提出了新的要求。在5G通信中，實(shí)現(xiàn)高速率的關(guān)鍵是毫米波以及波束成形技術(shù)，但傳統(tǒng)的天線(xiàn)顯然無(wú)法滿(mǎn)足這一需求。

5G通信到底需要什么樣的天線(xiàn)？這是工程開(kāi)發(fā)人員需要思考的問(wèn)題。為此雷鋒網(wǎng)IoT科技評(píng)論邀請(qǐng)了新加坡國(guó)立大學(xué)終身教授、IEEE Fellow陳志寧為大家講解5G移動(dòng)通信中的未來(lái)天線(xiàn)技術(shù)。

移動(dòng)通信基站天線(xiàn)的演進(jìn)及趨勢(shì)

基站天線(xiàn)是伴隨著網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展起來(lái)的，工程人員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求來(lái)設(shè)計(jì)不同的天線(xiàn)。因此，在過(guò)去幾代移動(dòng)通信技術(shù)中，天線(xiàn)技術(shù)也一直在演進(jìn)。

第一代移動(dòng)通信幾乎用的都是全向天線(xiàn)，當(dāng)時(shí)的用戶(hù)數(shù)量很少，傳輸?shù)乃俾室草^低，這時(shí)候還屬于模擬系統(tǒng)。

到了第二代移動(dòng)通信技術(shù)，我們才進(jìn)入了蜂窩時(shí)代。這一階段的天線(xiàn)逐漸演變成了定向天線(xiàn)，一般波瓣寬度包含60°和90°以及120°。以120°為例，它有三個(gè)扇區(qū)。

八十年代的天線(xiàn)還主要以單極化天線(xiàn)為主，而且已經(jīng)開(kāi)始引入了陣列概念。雖然全向天線(xiàn)也有陣列，但只是垂直方向的陣列，單極化天線(xiàn)就出現(xiàn)了平面和方向性的天線(xiàn)。從形式來(lái)看，現(xiàn)在的天線(xiàn)和第二代的天線(xiàn)非常相似。

1997年，雙極化天線(xiàn)（±45°交叉雙極化天線(xiàn)）開(kāi)始走上歷史舞臺(tái)。這時(shí)候的天線(xiàn)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(xiàn)。

到了2.5G和3G時(shí)代，出現(xiàn)了很多多頻段的天線(xiàn)。因?yàn)檫@時(shí)候的系統(tǒng)很復(fù)雜，例如GSM、CDMA等等需要共存，所以多頻段天線(xiàn)是一個(gè)必然趨勢(shì)。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(shù)，Multiple-Input Multiple-Output）天線(xiàn)系統(tǒng)。最初是4×4 MIMO天線(xiàn)。

MIMO技術(shù)提升了通信容量，這時(shí)候的天線(xiàn)系統(tǒng)就進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，也就是從最初的單個(gè)天線(xiàn)發(fā)展到了陣列天線(xiàn)和多天線(xiàn)。

但是，現(xiàn)在我們需要把目光投向遠(yuǎn)方，5G的部署工作已經(jīng)啟動(dòng)了，天線(xiàn)技術(shù)在5G會(huì)扮演一個(gè)什么樣的角色，5G對(duì)天線(xiàn)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生什么影響？這是我們需要探索的問(wèn)題。

過(guò)去天線(xiàn)的設(shè)計(jì)通常很被動(dòng)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后再提指標(biāo)來(lái)定制天線(xiàn)。不過(guò)5G現(xiàn)在的概念仍然不明確，做天線(xiàn)設(shè)計(jì)的研發(fā)人員需要提前做好準(zhǔn)備，為5G通信系統(tǒng)提供解決方案，甚至通過(guò)新的天線(xiàn)方案或者技術(shù)來(lái)影響5G的標(biāo)準(zhǔn)定制以及發(fā)展。

從過(guò)去幾年和移動(dòng)通信公司的合作交流經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，未來(lái)基站天線(xiàn)有兩大趨勢(shì)。

第一是從無(wú)源天線(xiàn)到有源天線(xiàn)系統(tǒng)。

這就意味著天線(xiàn)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計(jì)）、定制化。

因?yàn)槲磥?lái)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，我們需要根據(jù)周?chē)膱?chǎng)景來(lái)進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會(huì)更加精細(xì)，而不是簡(jiǎn)單的覆蓋。5G通信將會(huì)應(yīng)用高頻段，障礙物會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生很大的影響，定制化的天線(xiàn)可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

第二個(gè)趨勢(shì)是天線(xiàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和復(fù)雜化。

例如波束陣列（實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用）、多波束以及多/高頻段。這些都對(duì)天線(xiàn)提出了很高的要求，它會(huì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)以及互相兼容的問(wèn)題，在這種情況下天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

天線(xiàn)技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程：最早從單個(gè)陣列的天線(xiàn)，到多陣列再到多單元，從無(wú)源到有源的系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單的MIMO到大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單固定的波束到多波束。

設(shè)計(jì)層面的趨勢(shì)

對(duì)于基站而言，天線(xiàn)設(shè)計(jì)的一大原則就是小型化。

不同系統(tǒng)的天線(xiàn)是設(shè)計(jì)在一起的，為了降低成本、節(jié)省空間就要做得足夠小，所以就需要天線(xiàn)是多頻段、寬頻段、多波束、MIMO/Massive MIMO，MIMO對(duì)天線(xiàn)的隔離度。Massive MIMO對(duì)天線(xiàn)的混互耦都有一些特殊的要求。

另外，天線(xiàn)還需要可調(diào)諧。

第一代天線(xiàn)是靠機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)傾角，第三代實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的電調(diào)，5G如果能實(shí)現(xiàn)自調(diào)諧，是非常有吸引力的。

對(duì)于移動(dòng)終端而言，對(duì)天線(xiàn)的要求也是小型化、多頻段、寬頻段、可調(diào)諧。雖然這些特性現(xiàn)在也有，但5G的要求會(huì)更加苛刻。

除此之外，5G移動(dòng)通信的天線(xiàn)還面臨了一個(gè)新的問(wèn)題——共存。

實(shí)現(xiàn)Massive MIMO，收發(fā)都需要多天線(xiàn)，也就是同頻多天線(xiàn)（8天線(xiàn)、16天線(xiàn)...）。這樣的多天線(xiàn)系統(tǒng)給終端帶來(lái)最大的挑戰(zhàn)就是共存問(wèn)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(duì)5G終端天線(xiàn)提出了新的要求。

具體來(lái)說(shuō)會(huì)涉及以下三點(diǎn)：

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干擾，之前學(xué)術(shù)界認(rèn)為不會(huì)存在這種情況，但在工業(yè)界確實(shí)存在這個(gè)問(wèn)題；
2. 去耦，在MIMO系統(tǒng)里面，天線(xiàn)的互耦不僅僅會(huì)降低信道的隔離度，還會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的輻射效率。另外，我們不能指望完全依賴(lài)于高頻段毫米波來(lái)解決性能上的增長(zhǎng)，例如25GHz、28GHz...60GHz都存在系統(tǒng)上的問(wèn)題；
3. 去相關(guān)性，這一點(diǎn)可以從天線(xiàn)和電路設(shè)計(jì)配合來(lái)解決，不過(guò)通過(guò)電路來(lái)解決方案帶寬非常受限，很難滿(mǎn)足所有頻段的帶寬。

5G系統(tǒng)的天線(xiàn)技術(shù)

這包括單個(gè)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)層面上的技術(shù)，系統(tǒng)層面的上文有提到，例如多波束、波束成形、有源天線(xiàn)陣、Massive MIMO等。

從具體天線(xiàn)設(shè)計(jì)來(lái)看，超材料為基礎(chǔ)的概念發(fā)展出來(lái)的技術(shù)將會(huì)大有裨益。目前超材料已經(jīng)在3G和4G上取得了成功，例如實(shí)現(xiàn)了小型化、低輪廓、高增益和款頻段。

第二個(gè)是，襯底或者封裝集成天線(xiàn)。這些天線(xiàn)主要用在頻率比較高的頻段，也就是毫米波頻段。雖然高頻段的天線(xiàn)尺寸很小，但天線(xiàn)本身的損耗非常大，所以在終端上最好把天線(xiàn)和襯底集成或者更小的封裝集成。

第三個(gè)是電磁透鏡。透鏡主要應(yīng)用于高頻段，當(dāng)波長(zhǎng)非常小的時(shí)候，放上一個(gè)介質(zhì)可以去到聚焦的作用，高頻天線(xiàn)體積并不大，但是微波段的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，這就導(dǎo)致透鏡很難使用，體積會(huì)很大。

第四個(gè)是MEMS的應(yīng)用。在頻率很低的時(shí)候，MEMS可以用作開(kāi)關(guān)，在手機(jī)終端，如果能對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行有效的控制、重構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線(xiàn)多用。

以電磁透鏡為例，這一設(shè)計(jì)引進(jìn)了一個(gè)概念：在多單元的天線(xiàn)陣列前面放了一個(gè)電磁透鏡（這里指應(yīng)用于微波或毫米波低端頻段的透鏡，與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡不同），當(dāng)光從某一個(gè)角度入射后，就會(huì)在某一個(gè)焦平面上產(chǎn)生斑點(diǎn)，這個(gè)斑點(diǎn)上就集中了大量的能力，這就意味著在很小的區(qū)域內(nèi)把整個(gè)能力的主要部分接收下來(lái)。

當(dāng)入射方向變化，斑點(diǎn)在焦平面上的位置也會(huì)發(fā)生變化。如上圖，當(dāng)角度正投射的時(shí)候，產(chǎn)生了黑顏色的能量分布，如果是按照某個(gè)角度θ入射（紅顏色），主要能量就偏離了黑顏色區(qū)域。

用這個(gè)概念可以區(qū)分能量是從哪里來(lái)的，入射的方向和能量在陣列上或者焦平面上的位置是一一對(duì)應(yīng)的。反之，在不同的位置激勵(lì)天線(xiàn)，天線(xiàn)就會(huì)輻射不同的方向，這也是一一對(duì)應(yīng)的。

如果用多個(gè)單元在焦平面上輻射，就可以產(chǎn)生多個(gè)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(jìn)行切換，就出現(xiàn)波束掃描的現(xiàn)象；如果這些天線(xiàn)同時(shí)用，就可以實(shí)現(xiàn)Massive MIMO。這個(gè)陣列可以很大，但在每個(gè)波束上只要用很少的陣列就可以實(shí)現(xiàn)高增益的輻射。

普通的陣列如果有同樣大小的口徑，每次收到的能量是要所有的單元必須在這個(gè)區(qū)域內(nèi)接收能量，如果在很大區(qū)域只放一個(gè)單元收到的能量只是非常小的一部分；和普通陣列不同的是，同樣的口徑在沒(méi)有任何損耗的情況下，只用很少的單元就可以接收到所有的能量，不同的角度進(jìn)來(lái)，這些能量可以被不同的地方同時(shí)接收。

這大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)，如果每次工作只有一個(gè)方向的時(shí)候，只要一個(gè)局部的天線(xiàn)工作就可以，這就減少了同時(shí)工作天線(xiàn)的個(gè)數(shù)。而子陣的概念不同，它是讓局部多天線(xiàn)構(gòu)成子陣，這時(shí)候通道數(shù)是隨著子陣單元數(shù)的增加而減少的。例如10×10的陣列，如果用5×5變成子陣的話(huà)，那么就變成了只有四個(gè)獨(dú)立的通道，整個(gè)信道數(shù)也就減少了。

上圖右側(cè)顯示的是在基帶上算出來(lái)透鏡對(duì)系統(tǒng)的影響，水平方向是天線(xiàn)個(gè)數(shù)，假設(shè)水平方向上一個(gè)線(xiàn)陣有20個(gè)單元，用透鏡的情況下，只用5個(gè)單元去接受被聚焦后的能量比不用透鏡全部20個(gè)單元都用上的效果要更好，前者的通信質(zhì)量更高以及成本、功耗更低。即便是最糟糕的情況，波從