5G 天线设计挑战

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5G 天线设计挑战

天线设计是迄今为止这一过程中最令人困惑的部分，因为它几乎完全取决于终端设备的外形尺寸和OEM的偏好。

新的5G功能及其与当前4G LTE的区别

要了解5G能够提供比当前4G技术高得多的数据速率的原因，首先查看香农-哈特利定理可能会有所帮助：

C = M * B log2(1 + S/N)

C is the channel capacity in bit/second

C 是以位/秒为单位的通道容量

M is the number of channels

M 是通道数

B is the bandwidth of each channel

B 是每个通道的带宽

S/N is signal to noise ratio

信噪比是信噪比

实际上，基于定理的直观之处在于，为了拥有更高的信道容量，必须进行改进以调整系统M，B和S/N.5G是从4G演变而来的，在其架构中实现了一些众所周知且长期存在的技术，以提高其信道容量：

Carrier Aggregation (CA) > Increased bandwidth (B)

载波聚合 （CA） > 带宽增加 （B）

Multiple-in-multiple-out architecture (MIMO) > increase the number of channels (M)

多进多出架构 （MIMO） >增加通道数 （M）

Allocating new frequency bands > Increased bandwidth (B)

分配新频段>增加带宽 （B）

Adaptively adopt higher-order modulation schemes > S/N and B

自适应地采用高阶调制方案>信噪比和 B

与4G相比，5G将同一套技术推向了一个新的能力和复杂性水平。这不可避免地将5G设备的天线设计推向一个新的水平，以满足对更大带宽、更多频段和更好抗干扰性的不断增长的要求。

新的 5G 功能如何带来新的天线设计挑战

Actively Tunable Antenna System 主动可调谐天线系统 

由于严格的尺寸限制，现代无线设备通常使用有源天线调谐器作为缩小天线尺寸的有效手段。它可以根据不断变化的工作环境、频段和带宽覆盖范围智能调谐天线。由于 5G 中 CA 的潜在更高阶和额外的蜂窝频段，天线调谐系统必须能够支持更多的调谐器状态以及每个调谐器状态的更宽频率带宽。

New Frequency Bands 新频段 

基于3GPP第15版，5G将使用两个基本频率范围（FR1和FR2）：

FR1: 410 MHz to 7.125 GHz; FR2: 24.25 to 52.6 GHz

在FR1中，5G在4G LTE中现有的sub-3GHz频段之上采用3.3~3.8、3.8~4.2和4.4~4.9 GHz频段。这对蜂窝天线提出了新的要求，以在低于6GHz的频率范围内提供额外的频率覆盖范围。

表 1：FR1 中的 5G 新无线电 （NR） 工作频段

FR2 或毫米波频率范围在某些地区提供高达 2 GHz 的极宽带宽。打算利用这种宽带宽的设备或系统要求天线设计具有根本性的不同。由于信号传播损耗与信号波长成反比，因此毫米波信号会遭受严重的路径损耗。为了补偿路径损耗，通过设计相控阵天线来提高天线增益成为业界公认的可靠解决方案。相控阵设计开启了4G中不存在的天线设计新领域。

表 2：FR2 中的 5G 新无线电 （NR） 工作频段

由于共存，天线系统设计具有挑战性

MIMO 功能要求多个天线在设备上共存并在相同的频段上运行。该技术本身已经以SU-MIMO和MU-MIMO（单用户MIMO和多用户MIMO）的形式用于4G LTE网络。

在5G中，大规模MIMO（mMIMO）将是将小区容量和UE下载数据速率提升到新水平的必要构建块。虽然现在大多数mMIMO天线规格和技术审查都集中在基站端，需要32个或更多的逻辑天线端口，但预计UE上的天线数量也将增加。

此外，由于在 5G、蓝牙/WLAN、蜂窝等中启用了多址技术。更常见的是同时在UE上传输，天线共存问题只能更复杂地解决。如果解决不当，天线共存问题可能会导致通信范围缩小、意外盲点，甚至零星的连接质量下降。

图1给出了由于共存而导致的天线效率损失的示例。天线必须战略性地布置在 5G UE 中，以实现 MIMO 的全部效力。

图 1：从 SISO 迁移到 MIMO 系统时天线效率降低

应对新的 5G 天线设计挑战的设计方法

低于 6 GHz 的天线设计方法

5G天线按工作频率可分为两类：Sub-6GHz和mmWave。将sub-6 GHz 5G与LTE 4G进行比较，系统RF前端和天线设计概念将非常相似，唯一的区别是横向复杂性。这意味着，从4G到sub-6 GHz 5G，系统侧将使用相同的组件集，天线仍将是全向独立（相对于阵列）天线。

在此频率范围内，常见的天线类型如偶极子天线、单极天线、PIFA、IFA、环形天线等。仍将像在2G / 3G / 4G中一样发挥主导作用。天线外形尺寸可以从简单的印刷走线天线到复杂的激光直接成型 （LDS） 天线。

对更小设备尺寸和更大天线带宽的要求之间的冲突仍将是最大的挑战，只是比以前更难。解决这种日益激烈的对抗的一个可行解决方案是设计一个有源天线系统。

最常见的有源天线系统可分为两类：有源阻抗匹配和天线孔径调谐。有源阻抗匹配技术使天线系统能够根据工作条件的变化在不同的阻抗匹配网络之间进行选择，而有源孔径调谐则直接改变天线的固有特性。

图2：主动匹配（左）和主动光圈调谐图（右）

设备 OEM 还可以利用现成 （OTS） 天线来简化天线设计过程。然而，与4G相同，相同的OTS在不同的设备中时会表现不同，因为即使天线本身相同，不同的PCB也会提供不同的RF参考。至少，OEM 应该期望为任何选定的 OTA 天线定制天线匹配网络。

mmWave Antenna Design Approach 毫米波天线设计方法

在毫米波频率上，几个信号传播路径损耗极大地限制了小区大小，并且连接覆盖问题会极大地掩盖带宽优势。为了补偿信号路径损耗，相控阵天线具有实现非常高增益（dBi）的能力，因此变得必要。为 5G 毫米波设计相控阵天线需要更多关于基本天线设计概念、阵列天线设计实践、毫米波信号传播行为等方面的前期知识。 相控阵天线至少应该能够控制和优化辐射波束，以最大化其蜂窝扇区内移动接收设备的峰值EIRP（dBm）。 设计良好的5G相控阵天线还应考虑双极化，以最小化阵列尺寸，降低旁瓣电平，改善波束转向角范围和分辨率，抑制系统噪声，提高功率效率等。在这些高频下的校准和设置方面出现了额外的复杂性，与4G频率相比，设置中的损失变得更加明显。