解析未來天線技術與5G移動通信 | 硬創公開課
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）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換，也就是發射或接收電磁波。通俗點說，無論是基站還是移動終端，天線都是充當發射信號和接收信號的中間件。
現在，下一代通信技術——5G已經進入了標準制定階段，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，這對天線系統提出了新的要求。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陳志寧為大家講解5G移動通信中的未來天線技術。
嘉賓介紹
以下內容整理自本期公開課：
移動通信基站天線的演進及趨勢
技術上的演進
基站天線是伴隨著網路通信發展起來的，工程人員根據網路需求來設計不同的天線。因此，在過去幾代移動通信技術中，天線技術也一直在演進。
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方向性的，一般波瓣寬度包含60°和90°以及120°，以120°為例，它有三個扇區。八十年代的天線還主要以單極化天線為主，而且已經開始引入了陣列概念，雖然全向天線也有陣列，但只是垂直方向的陣列，單極化天線就出現了平面和方向性的天線。從形式來看，現在的天線和第二代的天線非常相似。
1997年，雙極化天線（±45°交叉雙極化天線）開始走上歷史舞台，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，目前主要的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，因為這時候的系統很複雜，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）天線系統，最初是4×4 MIMO天線。MIMO技術提升了通信容量，這時候的天線系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，系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通信系統提供解決方案，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。
第一是從無源天線到有源天線系統，這就意味著天線可能會實現智能化、小型化（共設計）、定製化，因為未來的網路會變得越來越細，我們需要根據周圍的場景來進行定製化的設計，例如在城市區域內布站會更加精細，而不是簡單的覆蓋。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路質量。
第二個趨勢是天線設計的系統化和複雜化，例如波束陣列（實現空分復用）、多波束以及多/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求，它會涉及到整個系統以及互相兼容的問題，在這種情況下天線技術已經超越了元器件的概念，逐漸進入了系統的設計。
設計層面的趨勢
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移動通信的天線還面臨了一個新的問題——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...）。這樣的多天線系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：
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；
去耦，在MIMO系統裡面，天線的互耦不僅僅會降低信道的隔離度，還會降低整個系統的輻射效率。另外，我們不能指望完全依賴於高頻段毫米波來解決性能上的增長，例如25GHz、28GHz...60GHz都存在系統上的問題；
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系統的天線技術
這包括單個天線的設計以及系統層面上的技術，系統層面的上文有提到，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。
第二個是，襯底或者封裝集成天線。這些天線主要用在頻率比較高的頻段，也就是毫米波頻段。雖然高頻段的天線尺寸很小，但天線本身的損耗非常大，所以在終端上最好把天線和襯底集成或者更小的封裝集成。
第三個是電磁透鏡。透鏡主要應用於高頻段，當波長非常小的時候，放上一個介質可以去到聚焦的作用，高頻天線體積並不大，但是微波段的波長很長，這就導致透鏡很難使用，體積會很大。
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制、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面放了一個電磁透鏡（這裡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），當光從某一個角度入射後，就會在某一個焦平面上產生斑點，這個斑點上就集中了大量的能力，這就意味著在很小的區域內把整個能力的主要部分接收下來。
當入射方向變化，斑點在焦平面上的位置也會發生變化。如上圖，當角度正投射的時候，產生了黑顏色的能量分布，如果是按照某個角度θ入射（紅顏色），主要能量就偏離了黑顏色區域。
用這個概念可以區分能量是從哪裡來的，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應的。反之，在不同的位置激勵天線，天線就會輻射不同的方向，這也是一一對應的。如果用多個單元在焦平面上輻射，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，但在每個波束上只要用很少的陣列就可以實現高增益的輻射。
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區域內接收能量，如果在很大區域只放一個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，不同的角度進來，這些能量可以被不同的地方同時接收。
這大大簡化了整個系統，如果每次工作只有一個方向的時候，只要一個局部的天線工作就可以，這就減少了同時工作天線的個數。而子陣的概念不同，它是讓局部多天線構成子陣，這時候通道數是隨著子陣單元數的增加而減少的。例如10×10的陣列，如果用5×5變成子陣的話，那麼就變成了只有四個獨立的通道，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系統的影響，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，只用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（屏蔽干擾信號）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，前面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通信裡面，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：空波導傳輸的時候介質帶來的損耗很小，所以可以用空波導來進行饋源傳輸，但這存在幾個問題，因為是空氣波導，尺寸非常大，而且無法和其它電路集成，所以比較適合高功率、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1998年發表了第一篇關於介質集成的波導結構論文，提到了在很薄的介質襯底上實現波導，用小柱子擋住電磁波，避免沿著兩邊擴。這不難理解，當兩個小柱子的間距小魚四分之一波長的時候，能量就不會泄露出去，這就可以形成高效率、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)。因為天線在晶元上最大的問題就是損耗太大，而且晶元本身的尺寸很小，把天線設計進去會增加成本，所以在工程上幾乎無法得到大規模應用。如果用封裝（尺寸比晶元大）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，這就避免了硅上直接做天線在體積、損耗和成本上的限制。
實際上，天線不僅可以在封裝內部，還可設計在封裝的頂部、底部以及周圍。
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只適合在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
未來天線必須要和系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，系統上的信號處理都無法實現，所以天線已經成為5G移動通信系統的關鍵技術。天線不只是一個輻射器，它有濾波特性、放大作用、抑制干擾信號，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終端上到底有多少位置可以給我們部署天線是個問題。目前，天線的設計還是跟著系統走，系統設計好了，才會考慮到天線的位置。從技術角度來講，離設備頭部越遠越好，目前手機上一般都是雙天線，主天線一般是在下半部，因為頭對能量有吸收遮擋；另外，天線之間盡量共用，減少天線佔用的空間；第三個是多天線系統，原則上是越遠越好，但是面積有限，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、波導縫隙天線，因為高頻波導的傳輸的歐姆損耗是比較小的，所以從整個系統的效率來看，用波導天線也是有可能的。如果僅限於某種形式的天線，會限制天線發揮的空間。
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