科技小数据|解析未来天线技术与5G移动通信( 三 ) 过去二十年

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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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MassiveMIMO 。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。