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行业互联网|解析未来天线技术与5G移动通信( 四 )


毫米波的天线设计
众所周知 ， 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 。

行业互联网|解析未来天线技术与5G移动通信
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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 。
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 。

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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 。

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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 。
精彩问答
Q：国内做得好的天线企业有哪些？5G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 ， 其它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 。
Q：在未来的5G终端上 ， 天线位置的设计需要遵循什么原则？
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 。


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