科技小数据|解析未来天线技术与5G移动通信( 二 ) 过去二十年

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/MassiveMIMO ， MIMO对天线的隔离度， MassiveMIMO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MassiveMIMO ，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。
【科技小数据|解析未来天线技术与5G移动通信】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、MassiveMIMO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。