過去20年間で、モバイル通信が1Gから4G LTEに移行しました。この間、通信の主要技術は変化しており、処理される情報量は倍増しています。そのためにはアンテナが欠かせません。
業界の定義によれば、アンテナは、伝送線路上を伝搬する導波を無制限の媒体（通常は自由空間）内を伝搬する電磁波、またはその逆に変換する変換器である。一般的に言って、それが基地局であろうと移動端末であろうと、アンテナは信号を送信し信号を受信するためのミドルウェアとして機能する。
現在、次世代の通信技術である5Gが標準設定フェーズの終わりに入り、主要な通信事業者は5Gデバイスを積極的に展開しています。間違いなく、5Gはユーザーに新しい体験をもたらし、4Gの10倍の伝送速度を持ち、アンテナシステムに新しい要件を課します。 5G通信では、高速化の鍵はミリ波とビームフォーミング技術ですが、従来のアンテナでは明らかにこの要求を満たすことはできません。
回路特性および放射特性は、ゲイン、ローブ幅、前後比、定在波比、アイソレーション、3次相互変調など、基地局アンテナの重要な指標です。アンテナの寿命が長くなり、断続的な高電力入力が発生すると、RFパスの温度が急激に上昇して材料の劣化が加速され、その放射特性の減衰が基地局システム全体に影響します。
5G通信にはどのようなアンテナが必要ですか？これはエンジニアリング開発者が考える必要がある問題です。
情報技術に代表される新ラウンドの技術と産業の変革は、しだいに身振りで示し、アップグレードしています。ビデオトラフィックの急増、ユーザ機器の成長、および新しいアプリケーションの普及に伴い、モバイル通信、Wi-Fiを含む第5世代モバイル通信システム（5G）の急速な成熟と応用が急務です。例外なく高速無線データ伝送。より速い転送速度、より低い転送待ち時間、およびより高い信頼性の必要性。移動体通信の高データレート要件を満たすためには、スペクトル効率およびエネルギー利用効率を改善するための新しい技術を導入する必要があり、もう1つは新しいスペクトルリソースを拡大することです。
広帯域アンテナの小型化
パッシブアンテナ起動
固定アンテナ再構成可能
HFアンテナ統合
軍用アンテナ文明
結合共振器デカップリングネットワークに基づく密結合端子アンテナを含む、2つの新しいタイプのアンテナ技術。メタマテリアル（スーパーサーフェス）に基づくMIMO、Massive MIMOアンテナアレイ結合の低減、および性能改善技術。パッシブパラメータ、アクティブパラメータ、およびMIMOパラメータのテストと評価を通じて、5Gにおけるこれら2つの新しいタイプのアンテナの明らかな利点と幅広いアプリケーションシナリオが確認されています。
これに関連して、大規模多入力多出力技術（Massive MIMO）は、次世代の移動体通信システムにおけるスペクトル効率を改善するための不可逆的なコア技術となっている。多重入出力技術（ＭＩＭＯ）は、トランシーバシステム間の複数のアンテナ間に存在する複数の空間チャネルを効果的に利用して、複数の互いに直交するデータストリームを送信し、それによって通信帯域幅を増加させることなくデータスループットを改善する。通信の速度と安定性大規模MIMOテクノロジは、これに基づいてさらに一歩進んでいます。限られた時間および周波数リソースに基づいて、何百ものアンテナユニットが同時に数十までの移動端末にサービスするために使用され、それはさらにデータスループットおよびエネルギー使用を改善する。効果
移動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、エンジニアはネットワーク要件に従って異なるアンテナを設計します。したがって、過去数世代の移動通信技術において、アンテナ技術もまた発展してきた。
第一世代の移動通信は、ほとんどすべての全方向性アンテナを使用していました。当時はユーザー数が少なく、通信速度が低かった。このとき、それはまたアナログシステムでした。
第二世代の移動体通信技術によって、私たちはセルラー時代に入りました。この段階のアンテナは徐々に指向性アンテナに進化してきており、一般的なローブ幅は60°、90°、および120°です。例として120°をとると、3つのセクターがあります。
1980年代のアンテナは主に単一偏波アンテナが主流であり、アレイの概念が導入され始めました。全方向性アンテナにもアレイがありますが、それらは垂直アレイにすぎず、単一偏波アンテナは平面アンテナと指向性アンテナを持っています。形式の点では、現在のアンテナは第二世代のアンテナと非常によく似ています。
1997年に、二重偏波アンテナ（±45°交差多偏波アンテナ）が歴史的な領域に入り始めました。この時点で、アンテナの性能は前の世代と比較して大いに改善されました。それが3Gか4Gであるかどうか、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、マルチバンドアンテナが登場しました。現時点ではGSMやCDMAなどのシステムは非常に複雑であるため、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にあります。コストとスペースを削減するために、この段階でマルチバンドが主流になりました。
2013年までに、私達はMIMO（多入力多出力）アンテナシステムを初めて導入しました。もともと4x4のMIMOアンテナ。
ＭＩＭＯ技術は通信容量を増大させ、アンテナシステムは、元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まで、新しい時代に入った。
しかし、今、私たちは距離を調べる必要があり、5Gの展開が始まっています。5Gにおいてアンテナ技術はどのような役割を果たしていますか。これは私達が探求する必要がある問題です。
以前は、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で、アンテナをカスタマイズするためのインジケータが追加されました。しかし、現在の5Gの概念はまだはっきりしていません。アンテナ設計を行う研究開発担当者は、5G通信システム用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、さらに新しいアンテナソリューションまたは技術を通じて5G規格のカスタマイズおよび開発に影響を及ぼすことさえあります。
別の観点から、アレイアンテナ、マルチバンドアンテナ、およびマルチビームアンテナは、基地局アンテナの開発のための「魔法の三角」を構成します。
大規模MIMO
基地局は、システムのスペクトル利用効率を改善するために、複数のアンテナおよび有効なマルチパス成分によって形成される空間的自由度を利用する大規模アンテナアレイを装備している。
マルチビームアンテナ
マルチビームアンテナはセクタを分割するために複数のビームを使用し、容量を増やします。
2G〜4G基地局アンテナ開発
2G / 3G時代には、アンテナはほとんど2ポートです。
▲GSMアンテナ
▲CDMAアンテナ
▲LTE-FDD独立2ポートアンテナ（2T2R）
4G時代には、MIMOテクノロジとマルチバンドアンテナを多用することで、タワーのアンテナは大きなあごひげのようなものになりました。
▲LTE-FDD独立4ポートアンテナ（2T4R）
▲CDMA（1T2R）/ LTE-FDD（2T4R）6ポートデュアルバンドアンテナ
▲LTE-TDD 8T8R 8ポートアンテナ
タワーのRRUと一緒に、タワーの景色は非常に壮観です...
将来の基地局アンテナはどのように見えるでしょうか？
C-RANネットワーク構造の進化に伴い、RRUは遠くにあり、さまざまな隠れたアンテナが現れます。
過去数年間における移動通信会社間の協力および交換の経験から、将来の基地局アンテナには２つの大きな傾向がある。
1つ目はパッシブアンテナからアクティブアンテナシステムへです。これは、アンテナがインテリジェントで、小型化され（共同設計され）、そしてカスタマイズされ得ることを意味する。ネットワークの将来はますます詳細になるため、周囲のシーンに応じてデザインをカスタマイズする必要があります。たとえば、市街地の駅は単純なカバレッジではなく、より複雑になります。 5G通信は高周波数帯を使用し、障害物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できます。
2つ目の傾向は、体系的で複雑なアンテナ設計です。
例えば、ビームアレイ（空間分割多重化を実行する）、マルチビームおよびマルチ／高周波帯域。これら全てがアンテナに高い要求を課し、それはシステム全体及び互換性の問題を含むであろう。この場合、アンテナ技術はコンポーネントの概念を上回り、徐々にシステムの設計に入りました。
アンテナ技術の進化：単一アレイアンテナから複数アレイ、複数ユニット、パッシブシステムからアクティブシステム、シンプルMIMOシステムから大規模MIMOシステム、シンプル固定ビームからマルチビームまで。
設計レベルの傾向
基地局にとって、アンテナ設計の主要な原則は小型化である。
異なるシステムのアンテナは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、アンテナは十分に小さいです。したがって、アンテナにはマルチバンド、ワイドバンド、マルチビーム、MIMO / Massive MIMO、およびMIMOアイソレーションが必要です。 Massive MIMOには、アンテナのハイブリッド結合に関する特別な要件がいくつかあります。
さらに、アンテナも調整可能である必要があります。
第1世代のアンテナは機械的にチルト角を実現するために使用され、第3世代はリモートESCを実現しました。それが自己調整を達成することができれば5Gは非常に魅力的です。移動体端末の場合、アンテナに対する要求もまた、小型化、マルチバンド化、広帯域化、および調整可能である。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。
さらに、5G移動体通信のアンテナは新しい問題 - 共存 - に直面します。
Massive MIMOを実装するには、送受信に複数のアンテナ、つまりマルチアンテナ（8アンテナ、16アンテナ...）が必要です。端末に対するこのようなマルチアンテナシステムの最大の課題は、共存です。
カップルへの相互影響を軽減する方法、チャネルのアイソレーションを向上させる方法...これは5G端末アンテナに新しい要件を置きます。
具体的には、次の3つの点について説明します。
相互影響、特に異なる機能モジュール、異なる周波数帯域間の相互干渉を減らすこと。これはこれまで学術界では考慮されていなかったが、この問題は業界に存在する。
ＭＩＭＯシステムでは、アンテナの相互結合は、チャネルのアイソレーションを低下させるだけでなく、システム全体の放射効率も低下させる。さらに、25GHz、28GHz ... 60GHzなど、システムの問題をすべて解決するために、ハイバンドのミリ波に完全に依存することは期待できません。
アンテナと回路設計の協調によって解決することができますが、解の帯域幅は回路を通じて非常に制限されている、それはすべての周波数帯域の帯域幅を満たすことは困難です。
5Gシステム用アンテナ技術
これには、マルチアンテナ、ビームフォーミング、アクティブアンテナアレイ、Massive MIMOなど、システムレベルで前述したように、単一アンテナの設計とシステムレベルでのテクノロジが含まれます。
特定のアンテナ設計の観点からは、メタマテリアルベースのコンセプトによって開発された技術は非常に有益です。小型化、ロープロファイル、ハイゲイン、バンドなどのメタマテリアルは、3Gおよび4Gで成功を収めています。
2つ目は、基板またはパッケージ一体型アンテナです。これらのアンテナは主に周波数の高い周波数帯、すなわちミリ波帯で使用されている。高周波帯域で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ので、アンテナと基板の一体化またはより小型のパッケージを端末上に一体化することが好ましい。
三つ目は電磁レンズです。レンズは主に高周波数帯で使用されます。波長が非常に短い場合は、媒体を使用して焦点を合わせることができます。高周波アンテナは大きくはありませんが、マイクロ波セグメントの波長は非常に長いため、レンズを使用するのは困難です。それは素晴らしいでしょう。
4つ目はMEMSの応用です。非常に低い周波数では、MEMSをスイッチとして使用できます。移動体端末では、アンテナを効果的に制御して再構築することができる場合、アンテナを使用することができる。
焦点面に複数のセルが放射されると、複数のキャリアビームの放射が発生する可能性があります。これはビームフォーミングと呼ばれます。これらのビームを切り替えると、ビームスキャンが発生します。これらのアンテナを同時に使用すると、Massive MIMOを実装できます。このアレイは大きくてもよいが、ビーム当たり非常に少ないアレイで高利得放射を達成することができる。
通常の配列は、同じサイズの場合、エネルギーを受け取るたびに、すべてのセルがこの領域のエネルギーを受け取る必要があります。 1つのユニットだけが広いエリアに配置されている場合、受け取られるエネルギーは非常に小さい部分にすぎません。配列の違いは、同じ口径が、損失なしにわずか数ユニットですべてのエネルギーを受け取ることができるということです。さまざまな角度が入ってきて、このエネルギーをさまざまな場所で同時に受け取ることができます。
これはシステム全体を非常に単純化します。作業ごとに1つの方向しかない場合は、1つのローカルアンテナしか機能しないため、同時に機能するアンテナの数が減少します。サブアレイの概念は異なります。ローカルマルチアンテナをサブアレイにすることです。このとき、サブアレイ部の数が多いほどチャネル数は少なくなる。たとえば、10×10のアレイで、5×5のサブアレイになると、4つの独立したチャネルしかなくなり、チャネルの総数が減ります。
ミリ波アンテナ設計
5Gのもう1つの重要な技術は、高周波帯域（ミリ波）伝送です。その動作周波数が主に３ＧＨｚ未満に集中している３Ｇおよび４Ｇ移動通信システムを含む従来の移動通信システム、およびスペクトルリソースは非常に混雑している。高周波帯域で動作する通信システムは、利用可能な豊富なスペクトルリソースを有し、通信のためにより広い連続周波数帯域を占有する可能性が高く、それによってチャネル容量および伝送速度に関する５Ｇの要件を満たす。したがって、2015年11月、世界無線通信会議WRC-15は、5G展開の重要な周波数として470〜694/698 MHz、1427〜1518 MHz、3300〜3700 MHz、および4800〜4990 MHzを決定しました。将来の５Ｇ開発に必要な周波数帯域を決定するために２４．２５〜８６ＧＨｚ内のいくつかの周波数帯域を研究することが提案されている。
5Gは低周波数帯とミリ波の2つの帯域を持ち、ミリ波の波長は非常に短く、損失は非常に大きいので、5G通信では、この問題を解決する必要があります。
5G低周波数帯：主に6GHz以下の周波数帯を指します。
最近、産業情報技術省は次のことを示す意見草案を発表しました。
3.3G〜3.40GHzの周波数帯は基本的に5Gの周波数帯として確認されており、原則として屋内での使用に限定されています。
４．８Ｇ〜５．０ＧＭＨｚの周波数帯域では、特定の周波数割り当てはオペレータの要求に従って決定される。
4.4G〜4.5GMHz帯域が追加されていますが、他の関連無線サービスに有害な干渉を引き起こすことはありません。
5G高周波帯：主に20GHz以上の周波数帯を指します。
中国は主に24.75-27.5GHzと37-42.5GHzの高周波数帯で意見を集めており、テストは主に世界で28GHzで行われています。
ミリ波移動通信はまた、短い伝送距離、不十分な浸透および回折能力、ならびに気候環境に対する脆弱性などの欠点を有する。したがって、アダプティブビームフォーミングおよびビームステアリング機能を備えた高利得アンテナアレイは、当然のことですが、ミリメートル範囲の5Gアプリケーションの重要なテクノロジです。
しかしながら、上述のシステム、アンテナアレイの実際の適用シナリオおよび適用環境を考慮すると、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯアンテナアレイを有する５Ｇ基地局が構築されるとき、アンテナアレイの体積は、限られたスペースのために大きくすることができない。アンテナアレイの物理的サイズが制限されている場合、主に以下の側面において、複数のアンテナ素子間の相互結合および干渉は必然的にアンテナ性能の劣化を招く。
（１）アンテナサイドローブが比較的高く、これはアレイのビーム走査能力に大きな影響を及ぼす。
（２）アンテナ素子間の相互干渉により信号対雑音比が劣化し、これがデータスループット率に直接影響する。
（３）有効放射を可能にするエネルギーが減少し、その結果、アンテナアレイ利得が低下し、エネルギー利用効率が低下する。
要約すると、5Gに適用可能な低周波数帯と高周波数帯では、スペースが制限されたMassive MIMOアンテナアレイの性能を改善するための効果的な理論と設計方法を見つけることは緊急である。アンテナアレイと元のアンテナアレイの性能を維持します。
第１の解決策は、基板集積アンテナ（ＳＩＡ）である。
この種のアンテナは主に２つの技術に基づいている。すなわち、空気導波路が伝送されるときに媒体によって引き起こされる損失が小さいので、空気導波路をフィード伝送に使用することができる。しかし、いくつか問題があります。それは空気導波路であるので、それはサイズが非常に大きくそして他の回路と統合することができず、従ってそれは大電力、大容量の用途に適している。もう1つは大量生産が可能なマイクロストリップ技術ですが、それは本質的に伝送媒体の損失であり、大規模なアンテナアレイを構築するのは困難です。
これら２つの技術に基づいて、基板集積導波路技術を製造することができる。この技術は、日本の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ための導波路構造に関する最初の論文を発表しました。導波路は非常に薄い誘電体基板上に実現され、両側で拡大を避けるために電磁波は小さな柱によって遮断されたと述べられた。二つの小さな柱の間の距離が小さな魚の四分の一波長であるとき、エネルギーが漏れることがないことを理解するのは難しくありません。 、低損失。アンテナ。
この方式は基地局へのミリ波の適用に適しており、移動端末には別の方式がある。
2番目の解決策は、アンテナをパッケージ一体型アンテナ（PIA）に設計することです。
チップ上のアンテナに関する最大の問題は、損失が大きすぎ、チップ自体のサイズが小さいことであるため、アンテナの設計はコストを増加させるので、大規模なアプリケーションを入手することはほとんど不可能です。エンジニアリング。アンテナがパッケージとして（チップよりも大きい）キャリアとして設計される場合、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、それはシリコン上の指向性アンテナのサイズ、損失、およびコストの制限を回避する。 。
実際、アンテナは、パッケージの内側だけでなく、パッケージの上部、下部、および周囲にも設計できます。注意すべきもう1つの点は、PCBをアンテナとして使用できるかどうかです。答えはイエスです。重要なボトルネックは、素材そのものではなく、素材がもたらす設計上および加工上の問題です。ただし、PCBは60 GHz未満の周波数帯にのみ適しており、60 GHz以降ではLTCCが推奨されますが、200 GHz以降ではLTCCにもボトルネックがあります。
総括する
将来的には、アンテナは個別に設計されるのではなく、システムと一緒に設計される必要があります。アンテナが5Gのボトルネックになるといってもいいでしょう。ボトルネックが解消されなければ、システム上の信号処理が実現できないため、アンテナは5Gの移動通信システムになりました。キーテクノロジーアンテナは単なる放射体ではありません。それはフィルタリング特性、増幅、および干渉信号の抑制を有する。それは利得を達成するためにエネルギーを必要としないので、アンテナは単なる装置以上のものです。