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5G新体制天线技术

来源:网络转载日期:2020年04月07日 浏览:238 关键词:天线5G
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

5G基站建站时,由于实际空间受限,天线阵的体积不能很大。天线阵物理尺寸受限的情况下,多个天线单元之间的互相耦合、干扰,必然会造成天线性能的下降,主要表现在以下几个方面:

(1)造成天线副瓣较高,对阵列的波束扫描能力有较大的影响;


(2)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;


(3)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。


因此,在5G适用的低频段和高频段,迫切需要寻找行之有效的改善空间受限的Massive MIMO天线阵列的性能的理论和设计方法,能够即缩小天线阵体积,又保持原有的天线阵性能。


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。


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。


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。


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