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  • 解析未來天線技術(shù)與5G移動通信

    2018-04-08 14:42:36 硬創(chuàng)公開課; RFsister編輯整理  點擊量: 評論 (0)
    過去二十年,我們見證了移動通信從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。而天線,是實現(xiàn)這一跨...

    過去二十年,我們見證了移動通信從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。而天線,是實現(xiàn)這一跨越式提升不可或缺的組件。

    按照業(yè)界的定義,天線是一種變換器,它把傳輸線上傳播的導(dǎo)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(fā)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(fā)射信號和接收信號的中間件。

    現(xiàn)在,下一代通信技術(shù)——5G已經(jīng)進入了標準制定階段的尾聲,各大運營商也正在積極地部署5G設(shè)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,對天線系統(tǒng)提出了新的要求。在5G通信中,實現(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)的天線顯然無法滿足這一需求。

    5G通信到底需要什么樣的天線?這是工程開發(fā)人員需要思考的問題。為此雷鋒網(wǎng)IoT科技評論邀請了新加坡國立大學(xué)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(shù)。

    移動通信基站天線的演進及趨勢

    基站天線是伴隨著網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展起來的,工程人員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求來設(shè)計不同的天線。因此,在過去幾代移動通信技術(shù)中,天線技術(shù)也一直在演進。

    第一代移動通信幾乎用的都是全向天線,當時的用戶數(shù)量很少,傳輸?shù)乃俾室草^低,這時候還屬于模擬系統(tǒng)。

    到了第二代移動通信技術(shù),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(qū)。

    八十年代的天線還主要以單極化天線為主,而且已經(jīng)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(xiàn)了平面和方向性的天線。從形式來看,現(xiàn)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)開始走上歷史舞臺。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(xiàn)了很多多頻段的天線。因為這時候的系統(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(shù),Multiple-Input Multiple-Output)天線系統(tǒng)。最初是4×4 MIMO天線。

    MIMO技術(shù)提升了通信容量,這時候的天線系統(tǒng)就進入了一個新的時代,也就是從最初的單個天線發(fā)展到了陣列天線和多天線。

    但是,現(xiàn)在我們需要把目光投向遠方,5G的部署工作已經(jīng)啟動了,天線技術(shù)在5G會扮演一個什么樣的角色,5G對天線設(shè)計會產(chǎn)生什么影響?這是我們需要探索的問題。

    過去天線的設(shè)計通常很被動:系統(tǒng)設(shè)計完成后再提指標來定制天線。不過5G現(xiàn)在的概念仍然不明確,做天線設(shè)計的研發(fā)人員需要提前做好準備,為5G通信系統(tǒng)提供解決方案,甚至通過新的天線方案或者技術(shù)來影響5G的標準定制以及發(fā)展。

    從過去幾年和移動通信公司的合作交流經(jīng)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系統(tǒng)

    這就意味著天線可能會實現(xiàn)智能化、小型化(共設(shè)計)、定制化

    因為未來的網(wǎng)絡(luò)會變得越來越細,我們需要根據(jù)周圍的場景來進行定制化的設(shè)計,例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細,而不是簡單的覆蓋。5G通信將會應(yīng)用高頻段,障礙物會對通信產(chǎn)生很大的影響,定制化的天線可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

    第二個趨勢是天線設(shè)計的系統(tǒng)化和復(fù)雜化

    例如波束陣列(實現(xiàn)空分復(fù)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(tǒng)以及互相兼容的問題,在這種情況下天線技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念,逐漸進入了系統(tǒng)的設(shè)計。

    天線技術(shù)的演進過程:最早從單個陣列的天線,到多陣列再到多單元,從無源到有源的系統(tǒng),從簡單的MIMO到大規(guī)模MIMO系統(tǒng),從簡單固定的波束到多波束。

    設(shè)計層面的趨勢

    對于基站而言,天線設(shè)計的一大原則就是小型化

    不同系統(tǒng)的天線是設(shè)計在一起的,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(diào)諧

    第一代天線是靠機械來實現(xiàn)傾角,第三代實現(xiàn)了遠程的電調(diào),5G如果能實現(xiàn)自調(diào)諧,是非常有吸引力的。

    對于移動終端而言,對天線的要求也是小型化、多頻段、寬頻段、可調(diào)諧。雖然這些特性現(xiàn)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(xiàn)Massive MIMO,收發(fā)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(tǒng)給終端帶來最大的挑戰(zhàn)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干擾,之前學(xué)術(shù)界認為不會存在這種情況,但在工業(yè)界確實存在這個問題;
    2. 去耦,在MIMO系統(tǒng)里面,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(tǒng)的輻射效率。另外,我們不能指望完全依賴于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(tǒng)上的問題;
    3. 去相關(guān)性,這一點可以從天線和電路設(shè)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(tǒng)的天線技術(shù)

    這包括單個天線的設(shè)計以及系統(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、有源天線陣、Massive MIMO等。

    從具體天線設(shè)計來看,超材料為基礎(chǔ)的概念發(fā)展出來的技術(shù)將會大有裨益。目前超材料已經(jīng)在3G和4G上取得了成功,例如實現(xiàn)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(yīng)用于高頻段,當波長非常小的時候,放上一個介質(zhì)可以去到聚焦的作用,高頻天線體積并不大,但是微波段的波長很長,這就導(dǎo)致透鏡很難使用,體積會很大。

    第四個是MEMS的應(yīng)用。在頻率很低的時候,MEMS可以用作開關(guān),在手機終端,如果能對天線進行有效的控制、重構(gòu),就可以實現(xiàn)一個天線多用。

    以電磁透鏡為例,這一設(shè)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),當光從某一個角度入射后,就會在某一個焦平面上產(chǎn)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(qū)域內(nèi)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(fā)生變化。如上圖,當角度正投射的時候,產(chǎn)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(qū)域。

    用這個概念可以區(qū)分能量是從哪里來的,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(yīng)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(yīng)的。

    如果用多個單元在焦平面上輻射,就可以產(chǎn)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(xiàn)波束掃描的現(xiàn)象;如果這些天線同時用,就可以實現(xiàn)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(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區(qū)域內(nèi)接收能量,如果在很大區(qū)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(tǒng),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(shù)。而子陣的概念不同,它是讓局部多天線構(gòu)成子陣,這時候通道數(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,那么就變成了只有四個獨立的通道,整個信道數(shù)也就減少了。

    上圖右側(cè)顯示的是在基帶上算出來透鏡對系統(tǒng)的影響,水平方向是天線個數(shù),假設(shè)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后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(zhì)量更高以及成本、功耗更低。即便是最糟糕的情況,波從

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