科技小数据|解析未来天线技术与5G移动通信过去二十年

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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、IEEEFellow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(IEEEFellow) ，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IEEECouncilonRFID(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IEEETrans ，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-InputMultiple-Output）天线系统，最初是4×4MIMO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。