2G---5G与未来天线技术

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,通信的关键技术在发生变化,处理的信息量成倍增长。而天线,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的尾声,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,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。
电路特性与辐射特性是基站天线的重要表征指标,例如增益、波瓣宽度、前后比、驻波比、隔离度、三阶互调等。随着天线使用年限的增加以及间断性的高功率输入,则会使射频路径温度急速升高,加速其材质老化、导致其辐射特性衰减而影响整个基站系统。
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天线参数影响因素与网络性能的关联
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。
以信息技术为代表的新一轮科技和产业变革,正在逐步孕育升级。在视频流量激增,用户设备增长和新型应用普及的态势下,迫切需要第五代移动通讯系统(5G)的技术快速成熟与应用,包括移动通信,Wi-Fi,高速无线数传无一例外的需要相比现在更快的传输速率,更低的传输延时以及更高的可靠性。为了满足移动通信的对高数据速率的需求,一是需要引入新技术提高频谱效率和能量利用效率,二是需要拓展新的频谱资源。
两大类新体制天线技术,包括:基于耦合谐振器去耦网络的紧耦合终端天线;基于超材料(超表面)的MIMO,Massive MIMO天线阵耦合减小及性能提升技术。通过无源参数,有源参数和MIMO参数的测试和评估,证实了这两类新体制天线在5G中的明显优势和广阔应用场景。
在此背景下,大规模多输入多输出技术 (Massive MIMO)已经不可逆转的成为下一代移动通信系统的中提升频谱效率的核心技术。多输入输出技术(MIMO) 可以有效利用在收发系统之间的多个天线之间存在的多个空间信道,传输多路相互正交的数据流,从而在不增加通信带宽的基础上提高数据吞吐率以及通信的稳定性。而Massive MIMO技术在此基础之上更进一步,在有限的时间和频率资源基础上,采用上百个天线单元同时服务多达几十个的移动终端,更进一步提高了数据吞吐率和能量的使用效率
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移动通信基站天线的演进及趋势
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。
2G---5G与未来天线技术
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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定向天线,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,主要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。
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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。
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从另一个视角看,阵列天线、多频段天线、多波束天线构成了基站天线发展的“魔术三角”。
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Massive MIMO
基站端装备大规模天线阵列,利用多根天线形成的空间自由度及有效的多径分量,提高系统的频谱利用效率。
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多波束天线
多波束天线采用多波束使扇区分裂,从而增大容量。
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2G到4G基站天线发展
2G/3G时代,天线多为2端口。
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▲GSM天线
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▲CDMA天线
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▲LTE-FDD 独立2端口天线(2T2R)
到了4G时代,随着MIMO技术、多频段天线的大量使用,我们看到,铁塔上天线就像是长出了大胡子。
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▲LTE-FDD 独立4端口天线(2T4R)
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▲CDMA(1T2R)/LTE-FDD(2T4R) 6端口双频天线
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▲LTE-TDD 8T8R 8端口天线
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再加上铁塔上的RRU,铁塔上的场面就相当壮观…
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未来的基站天线可能是什么样子?
▼这是日本街头的TD-LTE 3.5G基站天线...
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▼华为Massive MIMO天线
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▼中兴Massive MIMO天线
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▼爱立信15GHz天线装备
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▼NEC 支持28GHz有源天线系统
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随着C-RAN网络结构的演进,RRU拉远,将会出现各种隐性天线...
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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。
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天线技术的演进过程: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
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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。
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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:
1. 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;
2. 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;
3. 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。
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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、高增益和宽频段。
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。
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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电磁透镜(这里指应用于微波或毫米波低端频段的透镜,与传统光学透镜不同),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。
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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。所以用透镜可以改善天线的性能——用少量天线个数,达到以往大型阵列的效果。
2G---5G与未来天线技术
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从这张PPT可以看出,用电磁透镜可以降低成本、降低复杂度、增加辐射效率,还可以增加天线阵列的滤波特性(屏蔽干扰信号)等等。
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这张PPT展示的是用在28GHz毫米波频段上的天线,并且用了7个单元天线作为馈源。
如左侧所示,前面的透镜是用超材料制成的屏幕透镜,用两层PCB刻成不同的形状进行相位的调整,以实现特定方向的聚焦。右侧可以看出7个辐射单元性能,波瓣宽度是6.8°,旁瓣是18dB以下,增益是24-25dB。
这一实验验证了电磁透镜在基站上的应用,同时也验证了超材料技术在天线小型化的作用。
毫米波的天线设计
5G另外一个关键技术就是高频段(毫米波)传输。传统移动通信系统,包括3G,4G移动通信系统,其工作频率主要集中在3GHz以下,频谱资源已经异常拥挤。而工作在高频段的通信系统,其可用的频谱资源非常丰富,更有可能占用更宽的连续频带进行通信,从而满足5G对信道容量和传输速率等方面的需求。因此,在2015年11月,世界无线电通信大会WRC-15,除了确定了470~694/698 MHz、1427~1518 MHz、3300~3700 MHz、以及4800~4990 MHz作为5G部署的重要频率之外,又提出了对24.25~86GHz内的若干频段进行研究,以便确定未来5G发展所需要的频段。
5G将会拥有低频段和毫米波两个频段,而毫米波的波长很短损耗很大,所以在5G通信里面,我们必须解决这一问题。
5G低频频段:主要是指6GHz以下的频段。
近日,我国工信部发布意见稿表明,
3.3G-3.40GHz频段基本被确认为5G频段,原则上限于室内使用;
4.8G-5.0GMHz频段,具体的频率分配使用根据运营商的需求而定。
新增4.4G-4.5GMHz频段,但不能对其他相关无线电业务造成有害干扰。
5G高频频段:主要是指20GHz以上的频段。
我国主要在24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见,国际上主要使用28GHz进行试验。
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毫米波移动通信也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。因此,高增益、有自适应波束形成和波束控制能力的天线阵列,自然成为5G在毫米波段应用的关键技术。
然而,考虑到上述系统、天线阵的实际应用场景和应用环境,带有Massive MIMO天线阵的5G基站建站时,由于实际空间受限,天线阵的体积不能很大。天线阵物理尺寸受限的情况下,多个天线单元之间的互相耦合、干扰,必然会造成天线性能的下降,主要表现在以下几个方面:
(1)造成天线副瓣较高,对阵列的波束扫描能力有较大的影响;
(2)由于天线单元之间互相的干扰,造成信噪比变差,进而直接影响数据吞吐率;
(3)使得能够有效辐射的能量减少,造成天线阵增益降低,能量利用效率低下。
综上所述,在5G适用的低频段和高频段,迫切需要寻找行之有效的改善空间受限的Massive MIMO天线阵列的性能的理论和设计方法,能够即缩小天线阵体积,又保持原有的天线阵性能。
2G---5G与未来天线技术
2G---5G与未来天线技术
第一个方案是,衬底集成天线(substrate integrated antenna,即SIA)。
这种天线主要基于两个技术:空波导传输的时候介质带来的损耗很小,所以可以用空波导来进行馈源传输。但这存在几个问题,因为是空气波导,尺寸非常大,而且无法和其它电路集成,所以比较适合高功率、大体积的应用场景;另一个是微带线技术,它可以大规模生产,但它本身作为传输介质的损耗很大,而且很难构成大规模天线阵列。
基于这两个技术就可以产生衬底集成的波导技术。这一技术最早由日本工业界提出来,他们在1998年发表了第一篇关于介质集成的波导结构论文,提到了在很薄的介质衬底上实现波导,用小柱子挡住电磁波,避免沿着两边扩。这不难理解,当两个小柱子的间距小于四分之一波长的时候,能量就不会泄露出去,这就可以形成高效率、高增益、低轮廓、低成本、易集成、低损耗的天线。
上图右下方是利用这一技术在LTCC上做出来的60GHz的天线,增益达到了25dB,尺寸8×8单元。
这一方案是适合于毫米波在基站上的应用,在移动终端上有另外一种方案。
2G---5G与未来天线技术
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第二个解决方案是把天线设计在封装(package integrated antenna,即PIA)。
因为天线在芯片上最大的问题就是损耗太大,而且芯片本身的尺寸很小,把天线设计进去会增加成本,所以在工程上几乎无法得到大规模应用。如果用封装(尺寸比芯片大)作为载体来设计天线,不仅能设计出单个天线,还能设计天线阵列,这就避免了硅上直接做天线在体积、损耗和成本上的限制。
实际上,天线不仅可以在封装内部,还可设计在封装的顶部、底部以及周围。
另外有一点需要注意的问题是,能否用PCB板做天线?答案是肯定的。
关键的瓶颈并不是材料自身,而是材料带来的设计问题和加工上的问题。不过PCB只适合在60GHz以下的频段,在60GHz以后推荐用LTCC,但到200GHz后,LTCC也存在瓶颈。
2G---5G与未来天线技术
2G---5G与未来天线技术
总结
未来天线必须要和系统一起设计而不是单独设计,甚至可以说天线将会成为5G的一个瓶颈,如果不突破这一瓶颈,系统上的信号处理都无法实现,所以天线已经成为5G移动通信系统的关键技术。天线不只是一个辐射器,它有滤波特性、放大作用、抑制干扰信号,它不需要能量来实现增益,因此天线不仅仅是一个器件。

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