解析未來天線技術(shù)與5G移動(dòng)通信
過去二十年,我們見證了移動(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。而天線,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(jìn)行相反的變換,也就是發(fā)射或接收電磁波。通俗點(diǎn)說,無論是基站還是移動(dòng)終端,天線都是充當(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(yàn),它擁有比4G快十倍的傳輸速率,對(duì)天線系統(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(píng)論邀請(qǐng)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(dòng)通信中的未來天線技術(shù)。
移動(dòng)通信基站天線的演進(jìn)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(jì)不同的天線。因此,在過去幾代移動(dòng)通信技術(shù)中,天線技術(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,當(dāng)時(shí)的用戶數(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(gè)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(tái)。這時(shí)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(shí)代,出現(xiàn)了很多多頻段的天線。因?yàn)檫@時(shí)候的系統(tǒng)很復(fù)雜,例如GSM、CDMA等等需要共存,所以多頻段天線是一個(gè)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(shí)候的天線系統(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(yuǎn)方,5G的部署工作已經(jīng)啟動(dòng)了,天線技術(shù)在5G會(huì)扮演一個(gè)什么樣的角色,5G對(duì)天線設(shè)計(jì)會(huì)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(jì)通常很被動(dòng):系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后再提指標(biāo)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(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,甚至通過新的天線方案或者技術(shù)來影響5G的標(biāo)準(zhǔn)定制以及發(fā)展。
從過去幾年和移動(dòng)通信公司的合作交流經(jīng)驗(yàn)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(huì)實(shí)現(xiàn)智能化、小型化(共設(shè)計(jì))、定制化。
因?yàn)槲磥淼木W(wǎng)絡(luò)會(huì)變得越來越細(xì),我們需要根據(jù)周圍的場景來進(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,定制化的天線可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。
第二個(gè)趨勢是天線設(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(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
天線技術(shù)的演進(jìn)過程:最早從單個(gè)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(jì)層面的趨勢
對(duì)于基站而言,天線設(shè)計(jì)的一大原則就是小型化。
不同系統(tǒng)的天線是設(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,所以就需要天線是多頻段、寬頻段、多波束、MIMO/Massive MIMO,MIMO對(duì)天線的隔離度。Massive MIMO對(duì)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(jī)械來實(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)通信的天線還面臨了一個(gè)新的問題——共存。
實(shí)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(duì)5G終端天線提出了新的要求。
具體來說會(huì)涉及以下三點(diǎn):
- 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)問題;
- 去耦,在MIMO系統(tǒng)里面,天線的互耦不僅僅會(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;
- 去相關(guān)性,這一點(diǎn)可以從天線和電路設(shè)計(jì)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(gè)天線的設(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、有源天線陣、Massive MIMO等。
從具體天線設(shè)計(jì)來看,超材料為基礎(chǔ)的概念發(fā)展出來的技術(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。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(gè)是電磁透鏡。透鏡主要應(yīng)用于高頻段,當(dāng)波長非常小的時(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(huì)很大。
第四個(gè)是MEMS的應(yīng)用。在頻率很低的時(shí)候,MEMS可以用作開關(guān),在手機(jī)終端,如果能對(duì)天線進(jìn)行有效的控制、重構(gòu),就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線多用。
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。
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,天線就會(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,這些能量可以被不同的地方同時(shí)接收。
這大大簡化了整個(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)局部的天線工作就可以,這就減少了同時(shí)工作天線的個(gè)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(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,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透鏡對(duì)系統(tǒng)的影響,水平方向是天線個(gè)數(shù),假設(shè)水平方向上一個(gè)線陣有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
責(zé)任編輯:售電衡衡
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