为了保持性能，5G移动设备的天线设计需要进行特别考虑。整个性能受到地平面、电路板上的天线定位以及其他相关元器件的影响。通过从设计之初就进行分析和修正，无线设备所需的可靠性成为可能。
为了让智能手机在更广泛的射频频段上正常工作，并支持向5G和其他技术的过渡，调整天线的孔径至关重要。为了适应不断扩大的RF需求，例如使用多输入多输出(MIMO)和载波聚合(CA)方法，智能手机需要采用越来越多的天线。
但随着智能手机变得越来越小，这些天线的表面积也越来越小。由于目前射频需求的发展，必须将更多的天线安装在更小的区域内。由于这主要取决于最终设备的外形尺寸和OEM厂商偏好，天线设计是迄今为止这个过程中最复杂的一步。
蜂窝行业继续向更高数据速率、更低延迟和最大性能的方向发展。
5G通过在4G架构中实施一些改进而从其发展而来，根据香农-哈特利公式C=M·B·log2(1+S/N)，以bps表示的信道容量因此得到了增加。该公式的参数受到CA、MIMO设计、附加频段的指定、高阶调制技术的自适应采用以及其他提高信道容量的因素的影响。
CA是一种合并大量数据流以提高性能的方法。MIMO系统包含多根用于接收和发送的天线，而SISO系统则分别只有一根天线。
与4G相比，5G将设计的复杂性和容量推向了新的高度。因此，天线设计必须不断进步，以满足对更大带宽、更多频段和更高抗干扰能力不断增长的需求。
有了5G，每个接收器的正常天线数量将显著增加。多根天线必须同时处于活动状态，才能使用两种主要方法来生成更高的数据速率：CA和MIMO。由于需要将更多的天线塞入更小的区域，天线尺寸就必须减小，这就会降低天线的效率。对于所有想要在更高要求的用例中向更多人传输更多数据的设备来说，RF电路设计是个瓶颈。
图1：从SISO迁移到MIMO系统时天线效率降低。(图片来源：Digi International Inc.)
由于严格的尺寸限制，现代无线设备通常采用有源调谐器来减小尺寸。根据工作环境、频段和带宽覆盖范围的变化，系统可以对天线进行自主调谐。天线调谐系统必须支持多种调谐状态，以及每种调谐状态的更大频谱。
根据3GPP第15版，5G将采用FR1和FR2两个基本频段(FR2毫米波为24.25至52.6GHz；FR1为410MHz至7.125GHz)。
除了目前4G LTE所使用的3GHz以下频率外，5G还在FR1中使用了3.3至3.8GHz、3.8至4.2GHz和4.4至4.9GHz几个频段。因此，蜂窝天线现在必须满足修订后的规范，以增加6GHz以下的频率覆盖。
设计天线提出了一个物理问题。1GHz信号的波长约为30cm。28GHz信号的波长为1.07cm。同一根天线无法对这两种信号起作用，因此在FR1和FR2频段上运行的5G设备至少需要两套天线。
5G中使用了可扩展的正交频分复用波形来处理不同的子载波信号间隔和在不同频带上可用的各种信道宽度。在更高的频率下可获得更大的子载波间隔和更宽的信道。频率越低，信道宽度和子载波间隔越小。
面向FR2设备或系统的天线设计必须大不相同。毫米波传输会经历显著的路由损耗，因为信号的传播损耗与其波长成反比。通过相控阵天线设计提高天线增益，成为了一种弥补路径损耗的可靠的业界公认的补救措施，我们将在下一节中对此进行讨论。
如前所述，MIMO功能需要多根天线。4G网络已经使用了单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)这两种类似的技术形式。
MIMO有多种形式。其中一种是大规模MIMO(mMIMO)，这是一种比早期MIMO版本能够将更多天线元件塞进较小空间的天线。由于毫米波波长可采用相当小的天线工作，因此可以构建紧凑的mMIMO阵列。制造商正在制造128单元的mMIMO天线。由于mMIMO使用了多个数据流，数据速率和连接可靠性得到了提高，因此无需使用更多频谱即可提高信号容量。
mMIMO将成为提高小区容量和数据下载速率的关键元件。此外，保持连接范围还需要解决由蓝牙/WLAN通信的一致性所带来的新问题。
5G天线根据其工作频率可分为6GHz以下和毫米波这两类。4G和5G之6GHz以下之间的唯一区别是将采用相同的系统端元器件，天线则仍将是独立的全向天线(而不是阵列)。
偶极天线、单极天线、PIFA、IFA、环形天线等将继续在2G/3G/4G中占据主导地位。天线的形状因数可以从简单的印刷轨道天线到复杂的激光定向结构天线改变。
可使用有源天线来满足尺寸要求。有源阻抗匹配和天线孔径调谐构成了有源天线系统的两种主要类型。有源孔径调谐可直接改变天线的固有特性，而有源阻抗匹配则可让天线系统根据工作参数的变化在几个阻抗匹配网络之间进行选择。因此，OEM厂商必须使用独特的匹配网络修改设计。
为了补偿毫米波频率上的信号路由损耗，就需要使用相控阵天线，因为它们能产生极高的增益(dBi)。相控阵天线必须能够定向和调整辐射束，以最大限度地提高其小区扇区内接收移动设备的峰值EIRP(dBm)。这种设计与早期的不同。这将有助于克服信号损耗。一些需要考虑的关键因素包括：
必须使用相控阵天线来降低旁瓣电平，提高波束方向角的范围和分辨率，抑制系统噪声，并提高能效。
由于需要将更多的天线塞入更小的区域，因此就必须减小天线尺寸，这就会降低天线的效率。根据理想天线的仿真模型，在全屏手机中，随着设备顶部的辐射元件与地(位于屏幕边缘)之间的距离变小，天线的效能会降低。
由于天线数量更多，尺寸更小，接收器更容易受到周围环境变化(例如手持电话)所带来的短暂影响。效率降低和频率响应的改变就是这些短暂影响的两个例子。
图2：5G移动设备原型。(图片来源：Qualcomm)
两根或多根天线所分别接收的信号必须尽可能做到彼此不连接，以便能将它们视为独立。可使用三个标准——空间分集、极化分集和波束分集，或者其组合，这也最为常见——来获得天线所必须具备的这一基本特性。通过以特定的间隔(根据波长定义)彼此放置天线，可以以空间分集实现所接收信号之间的去相关。
在运用极化分集时，可使用具有相互正交特征极化的天线来实现所接收信号之间的去相关。在波束分集中，所接收信号之间的去相关则是使用可能彼此互补却互不相似的辐射模式来实现的。
相关系数和隔离度用于表示多天线系统中端口之间的独立程度。相关系数用于衡量两根天线的发射模式彼此之间的相似程度，或者它们对从不同方向和不同极化进入接收器的电磁射线所进行空间滤波的效率。另一方面，辐射元件之间的去耦程度由两根天线之间的隔离度所决定。
射频能量会被人体吸收。如果要将可穿戴设备/移动设备佩戴在身上或将其靠近身体，则可能需要将天线放置在该设备背对身体的一侧。这就是RF设计公司在消声室中使用人头、人身和人手模型进行实验的原因之一。
天线的性能也会受到附近金属物体的影响。天线的性能也可能受到设备外壳的影响。如果外壳由金属或塑料制成，并填充有玻璃，也可能减少天线辐射的能量。这就是使用塑料而不是玻璃来制作外壳的原因。RF性能可能因天线在电路板上所放的位置而异。天线会向六个方向辐射。
图3：为了获得最佳性能，应将天线放置在PCB的末端，而不是沿着侧边。(图片来源：5G Technology World)
天线通常设计成以一定角度工作，但是有些天线在电路板的长边或短边上效果最佳。电池、LCD、电机和其他金属物体会产生干扰天线性能的噪声或反射。
5G网络将比4G网络提供快10到20倍的传输速率(高达1Gbps)，高1000倍的流量密度，以及每平方公里多10倍的连接数。虽然在比4G大得多的频率范围内运行，但5G渴望提供1ms的延迟，这比4G要快10倍。
配备天线的pcb将不得不适应比现在更大的数据速率和频率，从而使混合信号设计达到极限。4G网络所使用的频率范围从600MHz到5.925GHz，而5G网络所使用的频率将延伸到毫米波，其平均带宽将为26GHz、30GHz和77GHz。
为了发射能量，贴片天线通常需要一个地平面。地平面的功能有点像一面镜子，以平衡天线的互易性。在大多数情况下，地平面比天线长。最低工作频率决定其长度。
PCB的整体设计基于处理5G应用的高速和高频组合信号。为了符合FCC EMC规则，必须避免电磁干扰，这种干扰也可能发生在处理模拟信号的电路板元器件和处理数字数据的电路板元器件之间。热导率和介电常数的热系数(用于衡量介电常数的变化，通常以ppm/℃为单位)是影响材料选择的两个因素。
在描述层厚度和传输线特性时，PCB的形状也很重要。谈到第一点，需要选择的层压板厚度通常在最高工作频率波长的1/4到1/8之间。如果层压板太薄，它可能会开始振动并可能在导体上传播电波。
需要选择微带线、带状线或GCPW作为传输线的导体类型。选择基板材料后，设计人员应遵守高频电路板设计的标准指南。这些指南包括使用最短的可行轨道并控制它们的宽度和彼此之间的距离，以保持所有互连沿线的阻抗。
（原文刊登于EDN姊妹网站EE Times，参考链接：Antenna Design Considerations for 5G Applications，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
最前沿的电子设计资讯
