解析未來天線技術與5G移動通信
所有方向入射,這20個單元都用上和后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(shù),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、降低復雜度、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,并且用了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制成的屏幕透鏡,用兩層PCB刻成不同的形狀進行相位的調(diào)整,以實現(xiàn)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通信里面,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)。
這種天線主要基于兩個技術:空波導傳輸?shù)臅r候介質(zhì)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(guī)模生產(chǎn),但它本身作為傳輸介質(zhì)的損耗很大,而且很難構成大規(guī)模天線陣列。
基于這兩個技術就可以產(chǎn)生襯底集成的波導技術。這一技術最早由日本工業(yè)界提出來,他們在1998年發(fā)表了第一篇關于介質(zhì)集成的波導結構論文,提到了在很薄的介質(zhì)襯底上實現(xiàn)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。
這一方案是適合于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)。
因為天線在芯片上最大的問題就是損耗太大,而且芯片本身的尺寸很小,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(guī)模應用。如果用封裝(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,這就避免了硅上直接做天線在體積、損耗和成本上的限制。
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。
關鍵的瓶頸并不是材料自身,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以后推薦用LTCC,但到200GHz后,LTCC也存在瓶頸。
總結
未來天線必須要和系統(tǒng)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(tǒng)上的信號處理都無法實現(xiàn),所以天線已經(jīng)成為5G移動通信系統(tǒng)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(xiàn)增益,因此天線不僅僅是一個器件。
精彩問答
Q:國內(nèi)做得好的天線企業(yè)有哪些?5G產(chǎn)業(yè)鏈的配套是否已經(jīng)準備好?
A:國內(nèi)有很多領先的天線企業(yè),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(yè)的工廠也在中國。5G現(xiàn)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(xiàn)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么原則?
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(tǒng)走,系統(tǒng)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,減少天線占用的空間;第三個是多天線系統(tǒng),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,陳教授怎么看?
A:如果僅僅是陣列貼片,那整個5G的挑戰(zhàn)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以后用貼片更適合,但也可以用透鏡天線、波導縫隙天線,因為高頻波導的傳輸?shù)臍W姆損耗是比較小的,所以從整個系統(tǒng)的效率來看,用波導天線也是有可能的。如果僅限于某種形式的天線,會限制天線發(fā)揮的空間。
分享講師介紹:
陳志寧:雙博士,新加坡國立大學終身教授,國際電子電氣工程師學會會士(IEEE Fellow),國際電子電氣工程師學會天線與傳播學會杰出演講人;現(xiàn)擔任IEEE Council on RFID (CRFID)副主席和杰出演講人;已發(fā)表了五百余篇科技論文,其中一百多篇IEEE Trans,出版了五部英文專著,并擁有幾十項國際天線專利和成功的技術轉(zhuǎn)讓。
責任編輯:售電衡衡