硬核知识文章
你的5G天线知识小能手突然出现！上一期我们了解到了阻挡我们5G冲浪的重重险阻，现在就让我们逐一击破，走在5G通信的最前沿吧！ 多天线系统的耦合和耦合控制，一直是学术界和工业界关注的热点问题。天线系统中的耦合如果得不到有效控制，会有以下问题： 造成天线副瓣较高，使得天线系统对其他通信系统造成干扰。对阵列的波束扫描能力有较大的影响，在一定角度扫描的时候出现有源驻波波动和失配。 由于天线单元之间互相的干扰，造成信噪比变差，进而直接影响数据吞吐率和误码率。 使得能够有效辐射的能量减少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下。 为了避免耦合较大，天线单元之间的距离保持在0.5到0.7波长，使得整个阵列的体积巨大，造成资源浪费。 解决耦合问题的主要方法是系统化的采用天线去耦合技术，总结来说，目前比较主流的去耦合技术主要有： 1. 去耦合电路（网络） 图1（a）两端口二阶CRDN与两天线并联去耦合 图1（b）三端口三阶CRDN与三天线并联去耦合 图1（c）双频双模CRDN与两个双频天线并联去耦合 图1（d）双频天线去耦合的效果图
在历史上，每一轮科技革命都从三个层面驱动着科技和社会发展。第一是新的理论与关键技术层出不穷，第二是国际和行业标准实现井喷，第三是新技术和标准的产业化，并驱使产业升级。当前这一轮5G通信技术革命和智物联网革命（人工智能和物联网、车联网），将实现万物数据化、万物互联化，并将大幅改进工业生产效率和人类的生活质量。2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会召开会议，要求加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。目前我国的5G已经全面开始了商用，独立组网模式的核心网的建设和集采已经在全国各省市如火如荼的开展。与此同时，随着5G用户逐渐增长到三千万以上，5G终端的同步铺开是5G技术发展的良好保障和必然趋势。目前5G的商用进程呈现着基站与终端并发的良好态势。根据权威机构预测，随着5G的蓬勃发展，未来十年的数据业务将以每年约2倍的速率增长。因此，为了支持高速率和海量设备通信并发，必须要采用更复杂的信道编码和更高阶数的MIMO（多输入多输出）系统，同时就迫切 需要天线（阵）技术的飞速发展。在基站侧，4G时代常采用的8T8R或32+8模式，一般只有最多几十个双极化天线单元，而在5G时代，基站天线单元的数目激增至128,192个，如图1(a)与(b)所示。从最新的国际电联2019大会（WRC-19）可以看到，在新提出的Sub-10GHz频段（主要为WRC-19提出的6425-7025MHz，7025-7125MHz以及10000-10500MHz频段）上，业界已经开始研究1024乃至更多的天线单元。 5G的毫米波频段，最多已经有上万个天线单元的方案提出。在终端侧，华为最新发布的5G手机，已经有21根天线，其中5G天线已经有十四根。而4G时代的手机终端，天线数目从来没有达到两位数。 天线数目的激增，结合实际应用场景中天线有限的物理空间，就造成了一个进退两难的困境，一方面天线数目及其工作频段增多已成必然，另一方面安装天线的物理口径不增反降。这就使得天线本身的设计尺寸受到压缩，天线之间的间距和耦合受到挑战。同时还要考虑到具体天线载体的形态和对天线的要求逐渐演进， 以及新加入的5G各频段与原始2/3/4G频段和Wi-Fi等频段的共存等问题。具体来说： (1) 在基站侧，特别是5G基站天线与4G基站天线共站是，可以明显的从图2看到，5G的基站天线宽度普遍大于4G天线，造成其迎风面普遍较大，风阻系数较高，由于铁塔和抱杆对于风阻系数有着严格的要求，因此，对于5G各频段的基站天线，需要解决以下挑战： 图2(a)：4G和5G基站共站方案下的4G和5G基站天线 图2(b)：5G不同频段的基站天线 图2(c)：5G基站天线需要通过阵元间距的缩减实现整个阵面的缩减 多频多天线共口径：具体来说，实现690-960MHz，1710-2700MHz，3300-5000MHz乃至新的Sub-10GHz频段的多天线共口径。 紧凑阵列设计，实现宽度大幅度缩减,以便缩小整个基站天线的阵面和风阻系数以及天线的体积和重量，如图2(c)：具体来说，这包括天线单元本身的小型化设计和各天线单元之间的去耦合/隔离设计。 新体制天线技术：针对未来B5G乃至6G技术的演进，采用新的工作体制，解决现有天线存在的口径和数目的制约以及空间路径的损耗问题 (2) 在终端侧，针对金属边框，折叠屏，以及5G各种频段的应用，天线需要应对以下挑战： 在更为极致环境和形态下，实现手机天线，例如“负净空”天线、金属边框天线以及全面屏天线设计； 折叠屏手机的天线设计问题，在各种折叠状态下保持天线的性能以及考虑人手握持后的天线性能保持； 多个5G MIMO天线的去耦合设计以及5G新频段与现有3/4G频段的共存问题（Co-existence），如图3所示： 新的终端形态比如眼镜、自动驾驶汽车对天线提出新的要求和挑战。这类设备对天线的要求与手机的要求截然不同。 (3) 从信道与传播角度，天线数目和频段的演进，同样也带来了新的挑战： 新频段Sub-10GHz以及毫米波的传播特性与4G频段有着截然不同的特性，直接影响着天线的形态和性能； 天线形态的改变，例如超大规模的Massive MIMO，以及新体制的天线形态，具有新的传播特点和信道分布，并最终影响系统的吞吐率、可靠性和时延； 终端天线需要考虑信道分布，人体影响，在合适的场景下具有特定的性能，以满足不同应用场景的需求； 实际上，对于海量的万物互联，也会存在有限空间内多设备多天线并发的互相干扰问题。一辆汽车上目前已经集成安装了四十几根天线，将来随着车联网应用的进一步普及，汽车这种新型终端同样也会遇到多天线的挑战。 在相关的军事应用上，同样也存在着多天线耦合干扰的问题，比如由于耦合造成的紧耦合宽带阵列的有源驻波，随着扫描角波动严重；相控阵由于天线间耦合造成的波束扫描角度受限甚至造成扫描盲区；综合射频桅杆上多种功能天线之间的电磁耦合造成的电磁兼容等等问题。 由此可见，在各类应用场景和各种载体之上，多天线系统的应用遇到了一些共性的挑战，尤其是解决多天线之间的集成设计以及多天线之间的耦合。要解决此类问题就需要多天线之间的耦合机理得到深入的研究和理解，需要对症下药，针对各种不同类型的耦合提出合适的解决方案。 在下篇的文章中，我们将针对不同的挑战提出相应的解决方案。
