過去二十年，我們見證了移動(dòng)通信從1G到4G LTE的轉(zhuǎn)變。在這期間，通信的關(guān)鍵技術(shù)在發(fā)生變化，處理的信息量成倍增長(zhǎng)。而天線，是實(shí)現(xiàn)這一跨越式提升不可或缺的組件。
按照業(yè)界的定義，天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波變換成在無(wú)界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換，也就是發(fā)射或接收電磁波。通俗點(diǎn)說(shuō)，無(wú)論是基站還是移動(dòng)終端，天線都是充當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的中間件。
現(xiàn)在，下一代通信技術(shù)——5G已經(jīng)進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)制定階段的尾聲，各大運(yùn)營(yíng)商也正在積極地部署5G設(shè)備。毋庸置疑，5G將給用戶帶來(lái)全新的體驗(yàn)，它擁有比4G快十倍的傳輸速率，對(duì)天線系統(tǒng)提出了新的要求。在5G通信中，實(shí)現(xiàn)高速率的關(guān)鍵是毫米波以及波束成形技術(shù)，但傳統(tǒng)的天線顯然無(wú)法滿足這一需求。
5G通信到底需要什么樣的天線？這是工程開發(fā)人員需要思考的問題。本文新加坡國(guó)立大學(xué)終身教授、IEEE Fellow陳志寧為大家講解5G移動(dòng)通信中的未來(lái)天線技術(shù)。
專家介紹
陳志寧：雙博士，新加坡國(guó)立大學(xué)終身教授，國(guó)際電子電氣工程師學(xué)會(huì)會(huì)士(IEEE Fellow)，國(guó)際電子電氣工程師學(xué)會(huì)天線與傳播學(xué)會(huì)杰出演講人；現(xiàn)擔(dān)任IEEE Council on RFID (CRFID)副主席和杰出演講人；已發(fā)表了五百余篇科技論文，其中一百多篇IEEE Trans，出版了五部英文專著，并擁有幾十項(xiàng)國(guó)際天線專利和成功的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
以下內(nèi)容整理自陳教授的公開課：
移動(dòng)通信基站天線的演進(jìn)及趨勢(shì)
基站天線是伴隨著網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展起來(lái)的，工程人員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求來(lái)設(shè)計(jì)不同的天線。因此，在過去幾代移動(dòng)通信技術(shù)中，天線技術(shù)也一直在演進(jìn)。
第一代移動(dòng)通信幾乎用的都是全向天線，當(dāng)時(shí)的用戶數(shù)量很少，傳輸?shù)乃俾室草^低，這時(shí)候還屬于模擬系統(tǒng)。
到了第二代移動(dòng)通信技術(shù)，我們才進(jìn)入了蜂窩時(shí)代。這一階段的天線逐漸演變成了定向天線，一般波瓣寬度包含60°和90°以及120°。以120°為例，它有三個(gè)扇區(qū)。
八十年代的天線還主要以單極化天線為主，而且已經(jīng)開始引入了陣列概念。雖然全向天線也有陣列，但只是垂直方向的陣列，單極化天線就出現(xiàn)了平面和方向性的天線。從形式來(lái)看，現(xiàn)在的天線和第二代的天線非常相似。
1997年，雙極化天線（±45°交叉雙極化天線）開始走上歷史舞臺(tái)。這時(shí)候的天線性能相比上一代有了很大的提升，不管是3G還是4G，主要潮流都是雙極化天線。
到了2.5G和3G時(shí)代，出現(xiàn)了很多多頻段的天線。因?yàn)檫@時(shí)候的系統(tǒng)很復(fù)雜，例如GSM、CDMA等等需要共存，所以多頻段天線是一個(gè)必然趨勢(shì)。為了降低成本以及空間，多頻段在這一階段成為了主流。
到了2013年，我們首次引入了MIMO（多入多出技術(shù)，Multiple-Input Multiple-Output）天線系統(tǒng)。最初是4×4 MIMO天線。
MIMO技術(shù)提升了通信容量，這時(shí)候的天線系統(tǒng)就進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，也就是從最初的單個(gè)天線發(fā)展到了陣列天線和多天線。
但是，現(xiàn)在我們需要把目光投向遠(yuǎn)方，5G的部署工作已經(jīng)啟動(dòng)了，天線技術(shù)在5G會(huì)扮演一個(gè)什么樣的角色，5G對(duì)天線設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生什么影響？這是我們需要探索的問題。
過去天線的設(shè)計(jì)通常很被動(dòng)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后再提指標(biāo)來(lái)定制天線。不過5G現(xiàn)在的概念仍然不明確，做天線設(shè)計(jì)的研發(fā)人員需要提前做好準(zhǔn)備，為5G通信系統(tǒng)提供解決方案，甚至通過新的天線方案或者技術(shù)來(lái)影響5G的標(biāo)準(zhǔn)定制以及發(fā)展。
