解析未来天线技术与5G移动通信

过去二十年，我们见证了移动通信从1G到4G LTE的转变，在这期间，每一代通信的关键技术在变化，从频分多址（FDMA）到正交频分多址（OFDMA），处理的信息量正在成倍增长，其中，天线就是实现这一跨越式提升不可或缺的组件。

按照业界的定义，天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换，也就是发射或接收电磁波。通俗点说，无论是基站还是移动终端，天线都是充当发射信号和接收信号的中间件。

现在，下一代通信技术——5G已经进入了标准制定阶段，各大运营商也正在积极地部署5G设备。毋庸置疑，5G将给用户带来全新的体验，它拥有比4G快十倍的传输速率，这对天线系统提出了新的要求。在5G通信中，实现高速率的关键是毫米波以及波束成形技术，但传统的天线显然无法满足这一需求。

5G通信到底需要什么样的天线？这是工程开发人员需要思考的问题。为此雷锋网IoT科技评论邀请了新加坡国立大学终身教授、IEEE Fellow陈志宁为大家讲解5G移动通信中的未来天线技术。

嘉宾介绍

陈志宁：双博士，新加坡国立大学终身教授，国际电子电气工程师学会会士(IEEE Fellow)，国际电子电气工程师学会天线与传播学会杰出演讲人；现担任IEEE Council on RFID (CRFID)副主席和杰出演讲人；已发表了五百余篇科技论文，其中一百多篇IEEE Trans，出版了五部英文专著，并拥有几十项国际天线专利和成功的技术转让。

以下内容整理自本期公开课：

移动通信基站天线的演进及趋势

上图是陈志宁教授科研组的研究方向

技术上的演进

基站天线是伴随着网络通信发展起来的，工程人员根据网络需求来设计不同的天线。因此，在过去几代移动通信技术中，天线技术也一直在演进。

第一代移动通信几乎用的都是全向天线，当时的用户数量很少，传输的速率也较低，这时候还属于模拟系统。

到了第二代移动通信技术，我们才进入了蜂窝时代，这一阶段的天线逐渐演变成了方向性的，一般波瓣宽度包含60°和90°以及120°，以120°为例，它有三个扇区。八十年代的天线还主要以单极化天线为主，而且已经开始引入了阵列概念，虽然全向天线也有阵列，但只是垂直方向的阵列，单极化天线就出现了平面和方向性的天线。从形式来看，现在的天线和第二代的天线非常相似。

1997年，双极化天线（±45°交叉双极化天线）开始走上历史舞台，这时候的天线性能相比上一代有了很大的提升，不管是3G还是4G，目前主要的潮流都是双极化天线。

到了2.5G和3G时代，出现了很多多频段的天线，因为这时候的系统很复杂，例如GSM、CDMA等等需要共存，所以多频段天线是一个必然趋势。为了降低成本以及空间，多频段在这一阶段成为了主流。

到了2013年，我们首次引入了MIMO（多入多出技术，Multiple-Input Multiple-Output）天线系统，最初是4×4 MIMO天线。MIMO技术提升了通信容量，这时候的天线系统就进入了一个新的时代，也就是从最初的单个天线发展到了阵列天线和多天线。

但是，现在我们需要把目光投向远方，5G的部署工作已经启动了，天线技术在5G会扮演一个什么样的角色，5G对天线设计会产生什么影响？这是我们需要探索的问题。

过去天线的设计通常很被动，系统设计完成后再提指标来定制天线，不过5G现在的概念仍然不明确，做天线设计的研发人员需要提前做好准备，为5G通信系统提供解决方案，甚至通过新的天线方案或者技术来影响5G的标准定制以及发展。

从过去几年和移动通信公司的合作交流经验来看，未来基站天线有两大趋势。

第一是从无源天线到有源天线系统，这就意味着天线可能会实现智能化、小型化（共设计）、定制化，因为未来的网络会变得越来越细，我们需要根据周围的场景来进行定制化的设计，例如在城市区域内布站会更加精细，而不是简单的覆盖。5G通信将会应用高频段，障碍物会对通信产生很大的影响，定制化的天线可以提供更好的网络质量。

第二个趋势是天线设计的系统化和复杂化，例如波束阵列（实现空分复用）、多波束以及多/高频段。这些都对天线提出了很高的要求，它会涉及到整个系统以及互相兼容的问题，在这种情况下天线技术已经超越了元器件的概念，逐渐进入了系统的设计。

上面这张PPT展示的就是天线技术的演进过程：天线最早从单个阵列的天线，到多阵列再到多单元，从无源到有源的系统，从简单的MIMO到大规模MIMO系统，从简单固定的波束到多波束。

设计层面的趋势

对于基站而言，天线设计的一大原则就是小型化。不同系统的天线是设计在