2020年12月29日 | 开发5G设备需要天线技术的支撑

2020-12-29 来源：EEWORLD

要想成功开发使用毫米波的5G新型无线电设备，就需要更多的天线。5G NR手机是非常复杂的设备。它们必须处理新的5G毫米波频段，包括4×4多输入多输出(MIMO)天线、3GPP指定的进化通用地面无线接入(EUTRA)双连通性，以及UWB等新兴标准。而且它们仍然必须支持4G连接以及蓝牙、WIFI和GNSS的所有现有需求。5G NR手机可用于射频信号链的电路板空间比LTE高级手机少35%，这主要是由于5G设计需要更大的电池和附加功能。

射频信号链的可用空间正在缩小，而对额外天线的需求却在增加。

基站面临着同样的困境:我们需要越来越多的天线，而可用空间却跟不上。由于5G NR基站和手机使用的毫米波的高传播损耗，加上用户的高带宽需求，除了MIMO外，波束成形、波束交换、多路复用和波束转向技术对提高频谱效率和提供经济有效、可靠的覆盖至关重要。

主动天线系统和大规模MIMO

传统天线仅基于固定辐射图、有源天线系统和波束成形天线来发射和接收，并且波束成形天线根据它们所连接的用户的位置动态地形成它们的主波束方向和零波束方向。波束成形天线系统可以减少干扰，提高信噪比，显著提高系统性能。

波束成形可以用数字或模拟技术来实现。使用数字波束成形(也称为基带波束成形或预编码)，信号在射频传输前的基带处理中通过幅度和相位修改进行预编码。多个波束(每个用户一个波束)可以从同一套天线元件同时形成。

通过模拟波束成形，在射频域内调整各个天线信号的信号相位。模拟波束成形影响天线阵的辐射模式和增益，提高天线阵的覆盖。与数字波束成形不同的是，每组天线单元只能形成一个波束。

一般来说，数字波束成形可以提供更高的性能。但更高的性能是以更复杂、更昂贵的硬件和更高的能源消耗为代价的。但性能比移动性和效率更重要，因此数字波束成形更适合于基站。模拟波束成形更容易集成到移动设备中，并提供更高的效率。

光束转向是通过改变所有辐射元件上输入信号的相位来实现。相移允许信号指向特定的接收机。天线阵列可以使用相同频率的辐射元件来引导单一波束向特定方向。不同频率的光束也可以被引导到不同的方向，以服务于不同的用户。信号发送的方向由基站在端点移动时动态计算，有效地跟踪用户。如果波束不能跟踪用户，终端可以切换到另一个波束。这种细粒度的跟踪之所以成为可能，是因为5G基站比前几代移动基础设施更接近用户。

大规模MIMO和多用户MIMO（MU-MINO）

大规模MIMO利用相控自适应阵列技术中的波束成形、波束转向和波束切换技术，利用多个基站天线与多个用户通信。在不增加小区间（intercell）协调设计复杂性的情况下，大规模 MIMO提高了容量。使用大规模MIMO，可以形成这样的波束，每个波束中几乎总是只有一个用户。因此，可以给每个用户提供无干扰、高容量的连接到基站。

大规模MIMO技术使用大型天线阵列(通常包括16、32或64阵列元素)来利用空间多路复用。空间多路复用在同一资源块内交付多个并行数据流。增加虚拟通道的总数可以增加容量和数据速率，而无需增加发射塔和频谱。

在高密度的城市中，MIMO技术还可以允许多个用户同时共享同一网络资源。多用户MIMO (MU-MIMO)允许不同用户的消息沿着相同的数据管道安全地传输，然后在数据到达其移动终端时将其排序给各个用户。将多个用户以相同的传输方式连接在一起可以提高容量，并可以更好地利用资源。因此，即使在拥挤的地区，用户也可以在高带宽下下载或观看流媒体。

mmWave天线研发——新技术不断出现

世界各地都在努力提高5G毫米波天线的性能。例如:

像路径损耗、雨水吸收、金属导电损耗、衬底损耗和衬底特性的变化等问题都是天线损耗的原因。在选择合适的衬底和制造过程中都存在挑战，但克服这些挑战可能是成功降低损耗。

选择衬底时要考虑的一个变量是衬底的耗散损耗。虽然导体损耗主要在低频区段，但在10GHz以上的频率，介质损耗成为导致板子整体损耗的主导因素。在毫米波频率下，具有低损耗正切的衬底是非常理想的。

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近年来，液晶聚合物(LCP) 作为毫米波衬底溶液受到了人们的关注。低热膨胀系数、柔性、低吸水、低损耗等特性使LCP成为毫米波天线基板的绝佳候选。

除了寻找更好的衬底和其他用于天线制造的材料，人们还在努力开发全新的制造和集成技术。比如毫米波器件中的天线和其他组件，通过使用一种创新的硬件集成技术——多层波导(MLW)，可能为最佳硬件技术提供所需高性能、简单的可积性、成本效益和大规模生产能力的特性。但有两个主要原因需要改进现有的解决方案:

首先，毫米波前端模块的成本高于低频段工作模块。其中一个因素是滤波器和天线等关键的无源元件体积缩小，需要高精度的制造和组装，导致成本昂贵，也减缓了新产品开发周期。

其次，毫米波前端子系统的硬件集成需要低损耗和低成本的互连和封装解决方案，以减少信号功率的损失。

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MLW技术是一种用于毫米波应用的新型、低成本空气波导，它是由多层薄而不连接的金属层制成。由于两层之间存在气隙，电磁场可能会泄漏，造成不必要的损失。通过应用一种电磁带隙(EBG)结构(一种超表面)，这种结构是通过在滑模对称结构中分配周期性通孔而产生，它可以抑制未连接层之间预期的场泄漏。

不同的研究小组正在研究MLW与新兴波导(WG)替代技术，如：间隙波导、3D打印波导、微加工波导和衬底集成波导(SIW)。看来MLW技术可能在三个关键参数之间提供一个权衡。

5G 天线 MIMO

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