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行业互联网|解析未来天线技术与5G移动通信( 二 )


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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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

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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：
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 。

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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、高增益和款频段 。


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