解决5G天线设计难题

数码网络国际
2020年10月23日

随着蜂窝行业不断向前发展，以满足更高的数据速率、更低的延迟和更高的可靠性的需求，射频系统设计再次成为任何蜂窝设备或网络的瓶颈，这些设备或网络旨在在更苛刻的用例中向更多用户提供更多数据。

而第三代伙伴计划(3GPP)随着业界继续发布更多满足新兴需求的规范，并推动行业更深入地进入5G时代，困惑和误解也随之出现，使设备原始设备制造商对推出下一代5G产品的计划产生了怀疑。

到目前为止，天线设计是这个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形状因素和原始设备制造商的偏好。

从一开始，Digi无线设计服务就一直走在新兴技术的前沿。它在无线设备设计行业拥有一长串的合作伙伴，并在设计无线设备方面取得了成功。在本博客中，我们提供了关于5G用户设备(UE)设备天线设计的见解。

新的5G功能以及它们与当前4G LTE的区别

为了理解5G能够提供比当前4G技术更高的数据速率的原因，首先看看香农-哈特利定理可能会有所帮助:

C = M * B log₂(1 + s / n)

C为通道容量，单位为比特/秒
M是通道数
B是每个通道的带宽
S/N是信噪比

根据定理，为了获得更高的信道容量，必须对系统M、B和S/N进行改进，这实际上是很直观的。5G从4G发展而来，在其架构中实现了一些众所周知的和长期存在的技术，以提高其信道容量:

载波聚合(CA)>带宽增加(B)
多进多出架构(MIMO)>增加通道数(M)
分配新频段>带宽增加(B)
自适应采用高阶调制方案>S/N和B

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

5G新功能如何创造新的天线设计挑战

要为5G功能规划和设计天线，了解挑战以及如何应对这些挑战非常重要。在这里我们回顾一下这些考虑因素。

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。它可以根据工作环境、频带和带宽覆盖范围的变化对天线进行智能调整。由于在5G和其他蜂窝频段中CA的阶数可能更高，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带宽。

新频段

基于3GPP Release 15, 5G将使用两个基本频率范围(FR1和FR2):

FR1: 410 MHz至7.125 GHz;FR2: 24.25 ~ 52.6 GHz

在FR1中，5G在4G LTE现有的sub-3GHz频段的基础上，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，要求在6ghz以下的频率范围内提供额外的频率覆盖。

表1:FR1中的5G新无线电(NR)操作频段¹

FR2，或毫米波频率范围，提供了一个非常宽的带宽，在某些地区可达2 GHz。打算利用这种宽带宽的设备或系统要求天线设计从根本上有所不同。由于信号的传播损耗与信号波长成反比，毫米波信号的路径损耗非常严重。为了补偿路径损耗，通过设计相控阵天线提高天线增益成为业界公认的可靠解决方案。相控阵设计为4G天线设计开辟了一个全新的领域。

表2:FR2中的5G新无线电(NR)工作频段¹

共存对天线系统设计的挑战

MIMO功能需要多个天线共存在一个设备上，并在相同的频带上工作。该技术本身已经以SU-MIMO和MU-MIMO(单用户MIMO和多用户MIMO)的形式应用于4G LTE网络。

在5G中，Massive-MIMO (mMIMO)将成为将蜂窝容量和UE下载数据速率推向下一个水平的必要构建块。虽然目前大多数的mimo天线规格和技术审查都集中在基站端，其中需要32个或更多的逻辑天线端口，但预计终端上的天线数量也将增加。

此外，由于5G中multi - Access技术的启用，蓝牙/WLAN、蜂窝等更频繁地在终端上同时传输，天线共存问题只能更加复杂地解决。如果不能妥善解决，天线共存问题可能会导致通信范围缩小、出现意外盲点，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例子。天线必须战略性地布置在5G终端中，以实现MIMO的全部效力。

图1:从SISO系统迁移到MIMO系统时天线效率的降低

新型5G天线设计挑战的设计方法

现在我们已经讨论了一些挑战，让我们讨论一些有助于确保成功的设计考虑因素。

Sub-6 GHz天线设计方法

5G天线可根据工作频率分为两类:Sub-6GHz和毫米波。将sub-6 GHz 5G与LTE 4G进行比较，系统射频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，系统端将使用同一组组件，天线仍将是全向独立(vs.阵列)天线。

在这个频率范围内，常见的天线类型如偶极子天线、单极子天线、PIFA、IFA、环路天线等仍将像2G/3G/4G时代一样占据主导地位。天线的形状因素可以从简单的打印轨迹天线到复杂的激光直接结构(LDS)天线。

更小的设备尺寸和更大的天线带宽之间的冲突仍将是最大的挑战，只是比以前更加困难。针对这种日益激烈的对抗，一个可行的解决方案是设计一种有源天线系统。

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中进行选择，而有源孔径调谐直接改变天线的固有特性。

图2:主动匹配(左)和主动孔径调谐图(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一样，相同的OTS在不同的设备中会表现不同，因为不同的pcb提供不同的射频参考，即使天线本身是相同的。至少，原始设备制造商应该为任何选定的OTA天线提供定制的天线匹配网络。

毫米波天线设计方法

在毫米波频率上，一些信号传播路径损耗极大地限制了小区的大小，带宽优势可能会被连接覆盖问题极大地掩盖。为了补偿信号路径损耗，相控阵天线由于能够实现很高的增益(dBi)而成为必要。

为5G毫米波设计相控阵天线需要在基本天线设计概念、阵列天线设计实践、毫米波信号传播行为等方面有更多的前期知识。至少，相控阵天线应该能够引导和优化辐射波束，以最大化其小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、最小化阵列尺寸、减轻旁瓣水平、提高波束转向角范围和分辨率、抑制系统噪声、提高电源效率等。

毫米波天线测试也存在工程障碍。在这些高频率下的校准和设置会产生额外的复杂性，与4G频率相比，设置中的损耗会更加明显。保守估计，这种测试的资本设备可能需要超过100万美元的投资。因此，选择一个理解规范和过程的测试伙伴变得至关重要。