科技小数据|解析未来天线技术与5G移动通信( 四 ) 过去二十年

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。

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第一个方案是，衬底集成天线（substrateintegratedantenna ，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(packageintegratedantenna ，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。