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行业互联网|解析未来天线技术与5G移动通信( 三 )


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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本文插图

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 。

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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 。


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