科普 | 支持5G超快速通信的新天线技术除了超快的速度和大容量之外

除了超快的速度和大容量之外， 5G 移动通信系统还具有多重并发连接和超低延迟等特点。随着远程作业和在线课程的不断增加，在需要高速、稳定通信的时代， 5G作为一项能满足这一要求的社会性基础设施，引起了人们的广泛关注。集成了无数个天线元件的多天线技术在用于 5G 移动通信的小型蜂窝基站中也发挥着举足轻重的作用。
多天线对 5G 市场中日益扩张的小型蜂窝基站提出挑战（信源：「链接」）
随着万物互连的 IoT/IoE 社会的出现，人们的关注点逐渐转向作为关键基础设施元素的 5G 通信，并预测该市场将会得到快速增长。虽然 5G 相关产品的市场只是初具雏形，但在 2023 年，全球市场价值预计将达到 380 亿美元。与小型蜂窝基站相关的产品与服务预计将占到该总价值的 70% 左右。（Fuji Chimera Research Institute, Inc.《实现 5G/高速大容量通信的核心技术未来展望》， 2018 年）
之所以会实现快速增长，原因在于 5G 通信使用的是毫米波2 ，所以每个 5G 基站仅涵盖有限的区域。因此， 5G 通信网络配置的特点是拥有大量小型蜂窝基站，这些基站在最初安装时将覆盖通过传统通信基站提供覆盖范围的每个宏基站。此外，由于毫米波容易被物体屏蔽，因此在火车站、购物商场和体育馆等地点需要安装更多的小型蜂窝基站。
5G 通信的特点
超快速度/大容量 -
通信速度比 4G 快 10 倍。即使是一部高清电影也可在数秒内下载完毕。
多个并发连接 -
每 km2 可连接100 万个终端，不会出现通信延迟。
超低延迟 -
通信延迟是 4G 的十分之一（约 1 毫秒）。预计将应用于无人驾驶和远程手术领域。
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Fuji Chimera Research Institute, Inc. ，《实现 5G/高速大容量通信的核心技术未来展望》， 2018 年
集成多个天线元件的多天线在小型蜂窝基站中发挥着重要的作用。 5G 通信的关键技术是波束形成3 ，该技术将无线电波转换为波束，然后将波束传输到每个终端。例如，在体育场举行的体育赛事中，该技术可将各个角度的运动员动作传输至大量观众终端，实时同步广播多场比赛，并提供增强现实观众服务。该技术将实现全新的赛事观赏方式。
在波束形成过程中，通过控制从多天线的天线元件辐射出的信号相位，将无线电波转换为波束。因此，集成多个天线元件的阵列天线逐渐发展成了多天线。由于带通滤波器 (BPF) 和集成电路 (IC) 也连接至阵列天线，所以这些天线需要外形小巧且纤薄，并确保整个系统的高级功能。
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外形更小巧、更纤薄的复合设备为 5G 提供多天线解决方案（信源：「链接」）
TDK 利用多年来累积的独有 LTCC 技术为 5G 小型蜂窝基站开发了将天线元件与 BPF 集成到 LTCC 多层基板中的“LTCC AiP 设备” 。该设备的一个关键特点是在天线层采用了新开发的低介电材料，因此即使是在毫米波段也能获得高增益。其他优势包括出色的环境适应能力和散热效果以及设计和评估自由度，该设备为 5G 通信基站多天线提供出色性能。
LTCC 技术是为生产高频元件等而开发的构造方法。为在相对低温下（大约 900°C）烧结而开发的陶瓷板材经过多层压制，可实现低温烧结，金属导体微观布线路径在介电陶瓷板上形成，导体图案使其能够充当电感器或电容器。由于用于电容器层和电感器层的片材材料不同，所以需要高级共烧技术。对于不同材料的此类共烧， TDK 率先提出一种高级 LTCC 构造方法，并已实现了用于移动通信终端的高频过滤器和前端模块的商业化。