1.1 多天线系统的发展动态和面临的关键问题
每一轮科技革命都从3个层面驱动着科技和社会发展。第一是新的理论与关键技术层出不穷；第二是国际和行业标准出现井喷；第三是新技术和新标准的产业化，并驱使产业升级。当前这一轮5G通信技术革命和智物联网（人工智能和物联网（Internet of Things，IoT）、车联网）革命，将实现万物数据化、万物互联化，并将大幅提高工业生产效率和人类的生活质量。2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会召开会议，要求加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设（简称“新基建”）进度。新基建涵盖七大领域，如图1-1所示，包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能以及工业互联网。新基建中，特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心是对传统基建的延伸，而新的部分都是与信息技术与数字经济紧密相关的领域，是一个长期的产业结构变革策略和长远的经济发展计划。
图1-1 涵盖七大领域的新基建
我国的5G已经全面开始商用，以独立组网模式的核心网建设和集采已经在全国各省市如火如荼地开展。与此同时，随着5G用户逐渐增长到3000万以上，5G基站的同步铺开是5G发展的良好保障。可以看到，目前5G的商用进程呈现出基站与终端并发的良好态势。根据权威机构预测，随着5G的蓬勃发展，未来10年的数据业务将以每年约两倍的速率增长，因此，为了支持高速率和海量设备通信并发，必须采用更复杂的信道编码和更高阶数的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统，这就迫切需要天线（阵）技术的飞速发展。在基站侧，4G时代常采用的8T8R模式，一般最多只有十几个双极化天线单元。在5G时代，基站天线单元的数目激增至100多个，如图1-2（a）与图1-2（b）所示。而在新提出的Sub-10GHz频段（主要为2019年世界无线电通信大会（World Radiocommunication Conference2019，WRC-19）提出的6425~7025MHz、7025~7125MHz以及10000~10500MHz频段）上，业界已经开始研究1024乃至更多的天线单元。5G的毫米波频段已经逐步商用，三星已经于2020年推出名为Link Cell的小型基站，如图1-2（c）所示，旨在实现室内环境的毫米波覆盖，只需要一根光纤，即可实现高速无缝连接的5G室内体验。与此同时，在终端侧，华为最近发布的5G手机，已经有21根天线，其中5G天线有14根。为了对抗路径损耗，高通推出的毫米波天线模组同样采取了4/8单元的相控阵体制，如图1-2（d）所示。而对比已经进入尾声的4G时代，各类手机终端、移动Wi-Fi、可穿戴设备以及数据卡的天线数目从来没有达到两位数。
图1-2 多天线应用举例
由于实际应用场景中天线的物理空间有限，天线数目的激增造成了一个进退两难的困境，一方面天线数目及其工作频段增多已成必然，另一方面安装天线的物理口径不增反降。这就使得天线本身的设计尺寸受到压缩，天线之间的间距和耦合受到挑战。同时考虑到具体天线载体的形态和对天线的要求逐渐演进，以及新加入的5G各频段与原始2G/3G/4G频段和Wi-Fi等频段的共存，天线设计需要应对以下挑战。
①在基站侧，特别是5G基站天线与4G基站天线共站时，如图1-3（a）所示，5G的基站天线宽度普遍大于4G天线，造成其迎风面普遍较大，风阻系数较高，由于铁塔和抱杆对风阻系数有着严格的要求，因此，对于5G各频段的基站天线，需要解决以下问题。
•多频多天线共口径。具体来说，实现690~960MHz、1710~2700MHz、3300~5000MHz乃至新的Sub-10GHz频段的多天线共口径。
•紧凑阵列设计，实现宽度大幅度缩减，以便缩小整个基站天线的阵面和风阻系数以及天线的体积和重量，如图1-3（b）所示。具体来说，这包括天线单元本身的小型化设计和各天线单元之间的去耦合/隔离设计。
•新体制天线技术。针对未来B5G乃至6G技术的演进，采用新的工作体制，解决现有天线存在的口径和数目的制约以及空间路径的损耗问题。
图1-3 户外基站天线与口面缩减
②在终端侧，针对金属边框、折叠屏，以及5G各种频段的应用，天线需要应对以下挑战。
•在更为极致的环境和形态下，实现手机天线，例如“负净空”天线、金属边框天线以及全面屏天线的设计。
•折叠屏手机的天线设计问题，在各种折叠状态下保持天线的性能以及考虑人手握持后的天线性能保持。
•多个5G MIMO天线的去耦合设计以及5G新频段与现有3G/4G频段的共存问题，5G手机终端常用的工作频段和普遍采用的天线布局如图1-4所示。目前主流的5G手机需要兼容多个制式的多个工作频率互相靠近乃至完全重叠的天线。
•新的终端形态，如智能眼镜、自动驾驶汽车，对天线提出新的要求和挑战。
这类设备对天线的要求与手机对天线的要求截然不同。
图1-4 5G手机终端常用的工作频段和普遍采用的天线布局
③从信道与传播角度来看，天线数目和频段的演进同样带来了新的挑战。
•新频段Sub-10GHz以及毫米波的传播特性与4G频段有着截然不同的特性，直接影响着天线的形态和性能。
•天线形态的改变，例如大规模天线阵列（Massive MIMO）以及新体制的天线形态，具有新的传播特点和信道分布，并最终影响系统的吞吐率、可靠性和时延。
•终端天线需要考虑信道分布、人体影响，在合适的场景下具有特定的性能，以满足不同应用场景的需求。