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行业互联网|解析未来天线技术与5G移动通信



行业互联网|解析未来天线技术与5G移动通信
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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
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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

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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 。

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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 。


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