過去20年間で、私たちは1Gから4G LTEへの移動通信の移行を目撃しました。この期間中、通信の主要技術が変化し、処理される情報の量が増えました。この飛躍的なプロモーションを実現するためには、アンテナは不可欠な要素です。
業界の定義によれば、アンテナとは、伝送路上を伝搬する導波光を無限大（通常は自由空間）を伝搬する電磁波に変換する変換器であり、逆に電磁波を送信または受信する。基地局であろうと移動体であろうと、信号を送受信するためのミドルウェアとしての役割を果たすというのが一般的である。
次世代通信技術である5Gが標準設定段階に入った今、大手キャリアも5Gデバイスを積極的に導入しています。言うまでもなく、5Gはユーザーに新しい経験をもたらすでしょう。これは4Gよりも10倍高速の伝送速度を持ち、アンテナシステムに新しい要件を課しています。 5G通信では、高速を達成するための鍵はミリ波とビームフォーミング技術ですが、従来のアンテナは明らかにこの要求を満たすことができません。 5G通信にはどのようなアンテナが必要ですか？
移動体通信基地局アンテナの進化と動向
基地局アンテナは、ネットワーク通信と共に開発される。エンジニアは、ネットワーク要件に基づいて異なるアンテナを設計します。したがって、過去の世代の移動通信技術では、アンテナ技術も進化している。
第1世代の移動体通信では、ほとんどすべての無指向性アンテナが使用されていました。当時、ユーザー数は少なく、伝送速度は低かった。今回はアナログシステムでもありました。
第二世代の移動通信技術により、我々は携帯電話の時代に入った。アンテナのこの段階は徐々に指向性アンテナに進化し、一般的なローブ幅は60°と90°と120°を含みます。一例として120°を取ると、それは3つのセクターを有する。
1980年代、アンテナは主に単偏波アンテナをベースにしており、アレイの概念が導入され始めました。無指向性アンテナもアレイを有するが、垂直方向のアレイのみであり、単偏波アンテナは平面アンテナおよび指向性アンテナを示す。形態的には、現在のアンテナは第2世代のアンテナと非常によく似ています。
1997年には、二重偏波アンテナ（±45°交差二重偏波アンテナ）が始まりました。このとき、アンテナ性能は前世代に比べ大幅に改善されています。それが3Gでも4Gでも、主な傾向は二重偏波アンテナです。
2.5Gおよび3G時代には、多くのマルチバンドアンテナが登場しました。現時点のシステムは非常に複雑であるため、例えば、GSM、CDMAなどが共存する必要があるため、マルチバンドアンテナは避けられない傾向です。コストとスペースを削減するために、この段階では複数のバンドが主流になっています。
2013年に初めてMIMO（Multiple-Input Multiple-Output）アンテナシステムを導入しました。もともとは4x4 MIMOアンテナでした。
MIMO技術は、通信容量を増加させている。このとき、アンテナシステムは新しい時代、すなわち最初の単一アンテナからアレイアンテナおよび複数のアンテナに入った。
しかし、今我々は距離に注意を向ける必要がある、5Gの展開が始まり、どのような役割がアンテナ技術が5Gで果たし、5Gはアンテナ設計にどのような影響を与えるだろうか？これは我々が探索する必要がある問題です。
従来、アンテナの設計は通常非常に受動的でした。システム設計が完了した後、インジケータを使用してアンテナをカスタマイズしました。しかし、5Gのコンセプトは依然として明確ではありません。アンテナ設計に取り組む研究者は、5G通信システムのソリューションを提供するために事前に準備する必要があり、新しいアンテナソリューションまたは技術を使用して5G標準のカスタマイズと開発にも影響を与えます。
ここ数年、移動体通信会社の協力と交流の経験から、将来、基地局アンテナには2つの大きな傾向があります。
第1は、受動アンテナから能動アンテナシステムまでである。
これは、アンテナがインテリジェントであり、小型化され（共同設計され）、カスタマイズされ得ることを意味する。
将来のネットワークはますます詳細になるため、周囲のシーンに合わせてデザインをカスタマイズする必要があります。例えば、都市部では、配備は単純にカバーするのではなく、より精巧なものになります。 5G通信は高周波帯域を使用し、障害は通信に大きな影響を与え、カスタマイズされたアンテナはより良いネットワーク品質を提供することができる。
第2の傾向は、アンテナ設計の体系化および複雑さである。
例えば、ビームアレイ（空間分割多重化を実現する）、複数のビーム、および複数の/高い周波数帯域がある。これらのすべては、アンテナに対する高い要求を前提としています。それはシステム全体と互換性の問題を伴います。この場合、アンテナ技術はコンポーネントの概念を超え、徐々にシステム設計に入りました。
アンテナ技術の進化：単純な固定ビームから複数ビームに至るまで、単純なMIMOから大規模なMIMOシステムまで、受動システムから能動システムまで、複数のアレイから複数のユニットまで、アンテナの単一アレイから最も早い。
デザインレベルの傾向
基地局にとって、アンテナ設計の主要な原理の1つは、小型化である。
異なるシステムのアンテナが一緒に設計されています。コストを削減し、スペースを節約するためには、十分に小さくなければなりません。したがって、マルチバンド、ワイドバンド、マルチビーム、MIMO /マッシビMIMO、およびアンテナ用のMIMOアイソレーションにはアンテナが必要です。大規模MIMOは、アンテナの混合相互結合のためのいくつかの特別な要件を有する。
さらに、アンテナは調整可能である必要があります。
アンテナの第1世代は機械的な傾きに基づいており、第3世代はリモートESCです。 5Gが自己調整を達成できるなら、それは非常に魅力的です。
モバイル端末では、アンテナ要件もまた、小型化、マルチバンド、ワイドバンド、およびチューニング可能である。これらの機能は現在利用可能ですが、5Gの要件はより厳しくなります。
また、5G移動通信用アンテナも新たな問題に直面しています（共存）。
大規模MIMOを実装するには、送信と受信に複数のアンテナ、つまり同じ周波数の複数のアンテナ（8つのアンテナ、16のアンテナ、...）が必要です。このマルチアンテナシステムが端末にもたらす最大の課題は、共存問題です。
どのようにカップルにお互いの影響を減らすために、どのようにチャネルの絶縁を高める...これは、5G端末アンテナのための新しい要件を前に置く。
具体的には、以下の3点が挙げられる。
相互作用、特に異なる機能モジュールと異なる周波数帯との間の相互干渉を低減する。学術コミュニティは、このような状況が存在しないと信じる前に、業界に存在していました。
MIMOシステムにおいて、アンテナの相互結合を切り離すことは、チャネルの分離を低減するだけでなく、システム全体の放射効率を低下させる。さらに、高周波数ミリ波に頼って性能を向上させることはできません。たとえば、25GHz、28GHz ... 60GHzのシステムにはすべて問題があります。
アンテナと回路の設計から解くことができる非相関性であるが、回路帯域幅による解決策の解決は非常に限られており、すべての周波数帯域の帯域幅を満たすことは困難である。
5Gシステム用アンテナ技術
これには、マルチビーム、ビームフォーミング、アクティブアンテナアレイ、マッシビMIMOなど、上記のシステムレベルで言及されている単一アンテナおよびシステムレベルの技術の設計が含まれます。
特定のアンテナ設計の観点から、メタマテリアルのコンセプトに基づいて開発された技術は大きなメリットがあります。現在、メタマテリアルは、小型化、薄型化、高利得化、周波数帯の実現など、3Gおよび4Gで成功を収めています。
第2は、基板またはパッケージ一体化アンテナである。これらのアンテナは、主に比較的高い周波数帯域、すなわちミリ波帯で使用されている。高周波帯域のアンテナサイズは小さいが、アンテナ自体の損失は非常に大きいため、アンテナを端子や基板の小型パッケージと一体化することが望ましい。
3番目は電磁レンズです。レンズは主に高周波帯域で使用されます。波長が非常に小さい場合、媒体を置くことは焦点を合わせることができる。高周波アンテナはそれほど大きくはないが、マイクロ波の波長は非常に長く、レンズを使いにくくする。それは素晴らしいでしょう。
4番目はMEMSの応用です。周波数が非常に低い場合、MEMSをスイッチとして使用することができます。移動端末では、アンテナを効果的に制御して再構成することができれば、アンテナは多目的に使用することができる。
電磁レンズを使用することで、コストを削減し、複雑さを低減し、放射効率を高め、アンテナアレイのフィルタ特性（干渉信号の遮蔽）を増やすことができます。
ミリ波アンテナ設計
わたしたちが知っているように、5Gは低周波帯域と2ミリメートル波の周波数帯を持ち、ミリ波の波長は非常に短く非常に高価です。したがって、5G通信では、この問題を解決する必要があります。
第1の解決策は、基板集積アンテナ（SIA）である。
このタイプのアンテナは、主に2つの技術に基づいている：空の導波管が伝送するとき、媒体による損失は非常に小さいので、空の導波管を給電伝送に使用することができる。しかし、いくつかの問題があります。これは、サイズが非常に大きく、他の回路と一体化できない空気導波管であるため、大電力、大容量アプリケーションのシナリオに適しています。もう一つは量産可能なマイクロストリップライン技術ですが、伝送媒体としての損失であり、大規模なアンテナアレイを構成することは困難です。
基板一体型導波路技術は、これらの2つの技術に基づいて製造することができる。この技術は、日本の産業界によって最初に提案されました。 1998年に、彼らは誘電体集積の導波路構造に関する最初の論文を発表した。彼らは、導波管が非常に薄い誘電体基板上に実装され、電磁波を阻止するために小さなピラーが使用され、両面が広がるのを防いでいると述べました。 2つの小さな柱が魚の波長の4分の1に分かれているとき、エネルギーが漏れることはないことは容易に理解できます。これは、高効率、高利得、低プロファイル、低コスト、容易な統合、および低損失をもたらすことができる。アンテナ。
上の図の右下はLTCCでこの技術を使って作られた60GHzアンテナです。ゲインは25dB、サイズは8x8セルです。
この方式は、基地局でのミリ波の適用に適しており、携帯端末には別の方式がある。
第2の解決策は、パッケージ統合アンテナ（PIA）にアンテナを設計することである。
チップ上のアンテナの最大の問題は、損失が大きすぎ、チップ自体のサイズが非常に小さいため、アンテナ設計はコストを増加させるので、エンジニアリングでは大規模なアプリケーションをほとんど得ることができません。アンテナが、（チップサイズよりも大きい）パッケージをキャリアとして設計されている場合、単一のアンテナだけでなく、アンテナアレイも設計することができる。これにより、シリコン上のアンテナの体積、損失、およびコストの制限が回避されます。
実際には、アンテナはパッケージ内にあるだけでなく、パッケージの上部、底部、および周囲にもあります。
注意が必要な別の問題は、PCBボードをアンテナとして使用できるかどうかです。答えは「はい」です。
鍵となるボトルネックは素材そのものではなく、素材設計上の問題と処理上の問題です。しかし、PCBは60GHz以下の周波数にのみ適しています。 LTCCは60GHz後に推奨されますが、200GHz以降はLTCCにボトルネックがあります。
概要：
将来、アンテナは別の設計ではなく、システムと一緒に設計する必要があります。アンテナが5Gのボトルネックになるとも言えます。ボトルネックが壊れていなければ、システム上の信号処理が達成されないので、アンテナは5G移動通信システムになっている。主な技術。アンテナは単なるラジエーター以上のものです。それは、フィルタ特性、増幅、および干渉信号の抑制を有する。利得を得るためにエネルギーを必要としないので、アンテナは単なるデバイスではありません。