雷竞技RAYBET解析未来天线G移动通信 雷锋网公开课过去二十年,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。
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)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。
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年,双极化天线°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G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。
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G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G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G的标准定制以及发展。
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。
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。
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,收发都需要多天线天线天线...)。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;
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。
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个单元雷竞技RAYBET·(中国)官方网站,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。
这张PPT展示的是用在28GHz毫米波频段上的天线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。
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雷竞技RAYBET·(中国)官方网站,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雷竞技RAYBET·(中国)官方网站,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鱼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。
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。
Q:国内做得好的天线G产业链的配套是否已经准备好?A:国内有很多领先的天线企业,全世界最好的基站天线厂商十有七八在中国,几家外资企业的工厂也在中国。5G现在有很多方案,我们不确定哪一个会最终被使用,但从目前来说,现有的器件基本都能满足要求。
A:未来5G终端上到底有多少位置可以给我们部署天线是个问题。目前,天线的设计还是跟着系统走,系统设计好了,才会考虑到天线的位置。从技术角度来讲,离设备头部越远越好,目前手机上一般都是双天线,主天线一般是在下半部,因为头对能量有吸收遮挡;另外,天线之间尽量共用,减少天线占用的空间;第三个是多天线系统,原则上是越远越好,但是面积有限,需要靠空间分集、极化分集,尽量减少天线之间的相关性。
A:如果仅仅是阵列贴片,那整个5G的挑战就会大大减少,但这要看具体应用。5G通信最低的频段是3GHz,这和LTE相差无几,还是要用阵子天线GHz,可以用阵子或者贴片,但是到28GHz以后用贴片更适合,但也可以用透镜天线、波导缝隙天线,因为高频波导的传输的欧姆损耗是比较小的,所以从整个系统的效率来看,用波导天线也是有可能的。如果仅限于某种形式的天线,会限制天线发挥的空间。