解析未来天线技术与5G移动通信

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。

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。

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。

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。

第一个方案是，衬底集成天线（substrate integrated antenna，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。

第二个解决方案是把天线设计在封装(package integrated antenna，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。

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。

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。

Q：有一种说法是，5G天线就是阵列贴片，陈教授怎么看？

A：如果仅仅是阵列贴片，那整个5G的挑战就会大大减少，但这要看具体应用。5G通信最低的频段是3GHz，这和LTE相差无几，还是要用阵子天线。如果超过5GHz，可以用阵子或者贴片，但是到28GHz以后用贴片更适合，但也可以用透镜天线、波导缝隙天线，因为高频波导的传输的欧姆损耗是比较小的，所以从整个系统的效率来看，用波导天线也是有可能的。如果仅限于某种形式的天线，会限制天线发挥的空间。

分享讲师介绍：

陈志宁：双博士，新加坡国立大学终身教授，国际电子电气工程师学会会士(IEEE Fellow)，国际电子电气工程师学会天线与传播学会杰出演讲人；现担任IEEE Council on RFID (CRFID)副主席和杰出演讲人；已发表了五百余篇科技论文，其中一百多篇IEEE Trans，出版了五部英文专著，并拥有几十项国际天线专利和成功的技术转让。