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多天线系统的典型工作方式

手机内的多个天线模块具有独立的功能，能够互不干扰地工作。对多天线系统来说，每种类型的天线在手机内的相对位置和净空大小基本固定。考虑到Wi-Fi模块、蓝牙模块、卫星导航模块、近场通信模块和无线充电模块的天线设计方案较为成熟，本节重点介绍用于4G/5G移动蜂窝通信模块的多天线系统的典型工作方式。

对于手机内移动蜂窝通信模块的多天线，根据频段不同可以将它们划分为3组独立工作的天线：第一组是覆盖698～960 MHz（低频段）和1710～2690 MHz（中高频段）的天线，第二组是覆盖3300～6000 MHz（高频段）的天线，第三组是覆盖24.25～29.5 GHz（毫米波频段）的天线。每一组天线都包含若干个天线，根据工作方式不同，同一组内的多个天线可以分为两类：一类是按照MIMO机制工作的多天线系统，另一类是按照相控阵机制工作的多天线系统。具体来说，第一组天线和第二组天线按照MIMO机制工作，第三组天线按照相控阵机制工作。

MIMO技术是近几十年来移动通信领域的重要技术之一，手机多天线与基站多天线构成的MIMO通信系统的工作原理如图1-5所示。和早期的单输入单输出系统相比，MIMO通信系统通过在基站端与手机端布置多个天线，使信道容量成倍增加，优势是不会占用更多频谱资源，也不需要增加天线发射功率。除此之外，5G相比4G新增了一些频段，这些频段的工作频率较高，对应天线单元的体积较小，便于在一个设备上实现MIMO天线的集成设计。

然而，在手机天线中应用MIMO技术提升传输速率时需要克服一系列的技术难点。例如，由于手机内部空间有限，采用MIMO技术后工作在同一频段的天线数量增加，导致天线单元的距离过近，通常会引起较强的耦合，不仅难以起到增加信道容量的作用，甚至还可能影响天线的辐射效率。因而需要采用解耦方法降低天线单元间的耦合强度。此外，天线的小型化和宽频化始终是手机设计中追求的目标，而5G低频段天线的尺寸会比5G高频段天线的尺寸大得多，这也是在低频段使用MIMO技术需要克服的难题。

考虑到传统移动通信频段集中在6 GHz以下，已经非常拥挤，5G在传统频段基础上新开辟了毫米波频段，进一步提升无线传输速率。毫米波有一系列独特的性质，它既具有可用频段宽、毫米波器件尺寸小、波束指向性好等优点，也存在路径损耗大、毫米波器件输出功率小等缺点。如何利用毫米波的优点并弥补其缺点，激发了众多研究人员的研究兴趣。

相控阵技术是克服路径损耗大这一缺点的有效手段，在雷达系统中已经得到了广泛的应用，可在提升天线增益的同时实现大空域的动态覆盖。相控阵技术是指将多个相同形式的天线按照一定规则均匀排列成线性阵列或平面阵列，并为每个天线单元配备移相器来实时改变天线单元的馈电相位，具有不同相位的电磁波在空间中进行矢量叠加，使得合成后的信号强度增强或减弱，从而产生特定指向的高增益波束。由于每个天线单元是通过电控相位的方式切换波束的，故而将这样的天线命名为相控阵天线。相控阵技术具有功耗高、成本高、复杂度高等问题，早期并未应用到移动通信领域。随着高传输速率需求的增加、收发组件成本的下降以及毫米波频段的商用，5G开始引入相控阵技术，通过封装天线（Antenna-in-
Package，AiP）的形式实现高度集成。

在5G的典型场景中，基站端布设有大规模的天线，可根据用户数量和位置，产生相应数量的波束和波束指向。移动终端天线具有波束扫描能力，能够根据终端的位置和姿态实时调整波束指向，如图1-6所示。天线作为波束调控的关键部件，在5G移动通信系统中扮演核心器件的角色。尽管毫米波频段的天线标准尚未完全敲定，但业界已经在5G毫米波天线方面达成了一些共识 ^[6-7] 。用于5G移动终端的毫米波天线需具有3个基本特征：高的增益、宽的波束扫描角和低的成本。毫米波的路径损耗大，在发射功率受限的条件下，要建立稳定的通信链路，5G移动终端的毫米波天线需具有高增益。增益的提高意味着波束宽度变窄，波束的覆盖范围变小。为了减小信号盲区，天线需具备波束扫描能力，以便动态调整波束指向。此外，终端天线是大规模使用的消费电子器件，任何成本的缩减都将带来可观的经济效益。因此，可宽角扫描的低成本毫米波天线对5G移动终端天线设计来说具有巨大吸引力。