浅谈5G通信系统中毫米波的天线设计

独爱72H 2020-03-20 9278

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（文章来源：电子元件技术网）

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。

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。
（责任编辑：fqj）

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