解析未来天线技术与5G移动通信

一起的，为了降低成本、节省空间就要做得足够小，所以就需要天线是多频段、宽频段、多波束、MIMO/Massive MIMO，MIMO对天线的隔离度，Massive MIMO对天线的混互耦都有一些特殊的要求。

另外，天线还需要可调谐。第一代天线是靠机械来实现倾角，第三代实现了远程的电调，5G如果能实现自调谐，是非常有吸引力的。

对于移动终端而言，对天线的要求也是小型化、多频段、宽频段、可调谐。虽然这些特性现在也有，但5G的要求会更加苛刻。

除此之外，5G移动通信的天线还面临了一个新的问题——共存。实现Massive MIMO，收发都需要多天线，也就是同频多天线（8天线、16天线...）。这样的多天线系统给终端带来最大的挑战就是共存问题，怎样降低相互之间的影响以耦合，如何增加信道的隔离度....这对5G终端天线提出了新的要求，具体来说会涉及以下三点：

降低相互的影响，特别是不同功能模块，不同频段之间的互相干扰，之前学术界认为不会存在这种情况，但在工业界确实存在这个问题；

去耦，在MIMO系统里面，天线的互耦不仅仅会降低信道的隔离度，还会降低整个系统的辐射效率。另外，我们不能指望完全依赖于高频段毫米波来解决性能上的增长，例如25GHz、28GHz...60GHz都存在系统上的问题；

去相关性，这一点可以从天线和电路设计配合来解决，不过通过电路来解决方案带宽非常受限，很难满足所有频段的带宽。

5G系统的天线技术

这包括单个天线的设计以及系统层面上的技术，系统层面的上文有提到，例如多波束、波束成形、有源天线阵、Massive MIMO等。

从具体天线设计来看，超材料为基础的概念发展出来的技术将会大有裨益，目前超材料已经在3G和4G上取得了成功，例如实现了小型化、低轮廓、高增益和款频段。

第二个是，衬底或者封装集成天线。这些天线主要用在频率比较高的频段，也就是毫米波频段。虽然高频段的天线尺寸很小，但天线本身的损耗非常大，所以在终端上最好把天线和衬底集成或者更小的封装集成。

第三个是电磁透镜。透镜主要应用于高频段，当波长非常小的时候，放上一个介质可以去到聚焦的作用，高频天线体积并不大，但是微波段的波长很长，这就导致透镜很难使用，体积会很大。

第四个是MEMS的应用。在频率很低的时候，MEMS可以用作开关，在手机终端，如果能对天线进行有效的控制、重构，就可以实现一个天线多用。

以电磁透镜为例，这一设计引进了一个概念：在多单元的天线阵列前面放了一个光学透镜（因为在低频上，所以称之为电磁透镜），当光从某一个角度入射后，就会在某一个焦平面上产生斑点，这个斑点上就集中了大量的能力，这就意味着在很小的区域内把整个能力的主要部分接收下来。

当入射方向变化，斑点在焦平面上的位置也会发生变化。如上图，当角度正投射的时候，产生了黑颜色的能量分布，如果是按照某个角度θ入射（红颜色），主要能量就偏离了黑颜色区域。

用这个概念可以区分能量是从哪里来的，入射的方向和能量在阵列上或者焦平面上的位置是一一对应的。反之，在不同的位置激励天线，天线就会辐射不同的方向，这也是一一对应的。如果用多个单元在焦平面上辐射，就可以产生多个载波束的辐射，也就是所谓的波束成形；如果在这些波束之间进行切换，就出现波束扫描的现象；如果这些天线同时用，就可以实现Massive MIMO。这个阵列可以很大，但在每个波束上只要用很少的阵列就可以实现高增益的辐射。

普通的阵列如果有同样大小的口径，每次收到的能量是要所有的单元必须在这个区域内接收能量，如果在很大区域只放一个单元收到的能量只是非常小的一部分；和普通阵列不同的是，同样的口径在没有任何损耗的情况下，只用很少的单元就可以接收到所有的能量，不同的角度进来，这些能量可以被不同的地方同时接收。

这大大简化了整个系统，如果每次工作只有一个方向的时候，只要一个局部的天线工作就可以，这就减少了同时工作天线的个数。而子阵的概念不同，它是让局部多天线构成子阵，这时候通道数是随着子阵单元数的增加而减少的。例如10×10的阵列，如果用5×5变成子阵的话，那么就变成了只有四个独立的通道，整个信道数也就减少了。

上图右侧显示的是在基带上算出来透镜对系统的影响，水平方向是天线个数，假设水平方向上一个线阵有20个单元，用透镜的情况下，只用5个单元去接受被聚焦后的能量比不用透镜全部20个单元都用上的效果要更好，前者的通信质量更高以及成本、功耗更低。即便是最糟糕的情况，波从所有方向入射，这20个单元都用上和后者的效果也是一样的。