5G移动通信中有哪些天线技术？

在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

好的，在5G移动通信中，天线技术是实现其高速率、大连接、低时延目标的核心要素。以下是一些关键的5G天线技术：

大规模多输入多输出技术：
- 核心创新： 这是5G最具标志性的天线技术。它显著增加了基站端天线单元（阵元）的数量，从4G的几十根（常见4、8根）激增至几十根（如64、128）甚至几百根（如256、512根）。
- 关键能力：
  - 波束赋形： 利用大量天线单元，可以精确控制无线信号的发射方向（波束）和接收方向，像手电筒一样将能量集中对准特定用户设备，而不是像传统天线那样全向或扇区广播。这大大提高了信号强度（覆盖距离和深度）、降低了其他方向的干扰，提升了频谱效率。
  - 空间复用/多用户MIMO： Massive MIMO基站能够同时、同频地服务多个用户设备，每个用户设备都获得一个或多个独立的指向其的波束。这显著提高了系统容量和吞吐量。
- 应用： 主要在Sub-6 GHz频段用于宏覆盖、微覆盖和室内覆盖，提供容量和覆盖提升。
波束赋形：
- 如上所述，波束赋形是实现空间聚焦的核心手段。在5G中，尤其是结合Massive MIMO，它变得更精细、动态和强大。可以通过数字波束赋形（在基带处理）或模拟/混合波束赋形（在射频处理） 来实现。
- 类型： 包括接收波束赋形和发送波束赋形。
- 好处： 覆盖增强、干扰抑制、能量效率提升、容量提升。
波束管理：
- 必要性： 波束赋形依赖于精确知道用户的位置和传播信道状况。但在实际移动场景或复杂环境中，这些会快速变化。
- 作用： 波束管理是指持续跟踪用户设备的位置和运动状态，并动态调整发射波束和接收波束的方向、宽度和形状的过程。它确保波束始终能“锁定”用户，克服遮挡、用户移动等带来的信号质量波动。
- 机制： 涉及波束扫描、波束测量、波束报告、波束切换等一系列信令流程，是5G NR标准的重要组成部分。
毫米波频段天线：
- 挑战： 毫米波频段信号（如28GHz、39GHz等）路径损耗大、穿透能力差、易被阻挡。
- 技术需求： 为克服这些限制，高度集成化的相控阵列天线成为必需，通常集成在小基站、CPE或手机中。
- 特点：
  - 高增益天线： 通常采用阵列结构以获得足够的方向性增益，补偿路径损耗。
  - 相控阵技术： 利用多个天线单元的相位差实现灵活的波束扫描（包括电子控制的方向改变），无需物理转动天线。这对于快速切换波束来跟踪移动用户或绕过障碍物至关重要。
3D波束赋形与全维MIMO：
- 传统的波束赋形主要在水平方向进行控制。
- 3D波束赋形： 利用二维矩形阵列天线，能够在水平面和垂直面（即三维空间）上独立地控制波束方向。
- 优点：
  - 更好地覆盖不同高度的用户（例如高层建筑的多个楼层）。
  - 更精确地抑制空间干扰源。
  - 提升小区边缘用户的性能。
- 全维MIMO： 可以看作是更大规模的3D波束赋形，在水平和垂直两个维度都部署大量天线单元，实现更精细的空间维度控制。
多波束天线：
- 指单个物理天线面板能够形成多个独立的、指向不同方向的波束。
- 应用： 在Massive MIMO基站中非常普遍，使得基站能够同时服务多个用户。在毫米波小基站或用户设备上，实现多链路连接或冗余备份也很重要。
分布式MIMO：
- 概念： 将原本集中在一个基站位置的大量天线单元（或小型有源天线单元AAU）分散部署在覆盖区域内的多个不同位置。
- 优点：
  - 进一步改善覆盖均匀性和深度覆盖。
  - 大幅降低干扰（用户设备更靠近分布式天线单元），提升信号质量（尤其小区边缘）。
  - 通过协作式波束赋形，进一步提升覆盖和容量。
- 形式： 可视为一种特殊形式的Massive MIMO部署架构。
有源天线系统：
- 将天线单元、射频前端（如功率放大器PA、低噪声放大器LNA）、以及部分甚至全部信号处理功能（如滤波器、数模转换DAC/模数转换ADC）高度集成在一个物理模块中。
- 优势：
  - 简化安装部署： 减少电缆连接（减少损耗和干扰）。
  - 小型化： 为大规模部署提供了可能性。
  - 灵活控制： 更容易实现精细的波束赋形和实时调整。
  - 效率提升： 减少传输损耗。
- 应用： 现代5G AAU是典型的AAS。
双极化天线：
- 使用单副天线阵面同时辐射或接收两个不同极化方向（通常是+45°和-45°）的电磁波信号。
- 好处：
  - 提高频谱效率： 在同一物理空间内提供两个隔离的通道（适用于MIMO传输）。
  - 空间分集： 抵抗极化失配（多径衰落可能改变极化），提高链路可靠性。
  - 提高覆盖： 对用户设备天线的极化方向不敏感。
- 应用： 在4G基站已广泛应用，5G Massive MIMO天线中仍是标配（如常见的32T32R天线，通常指32个垂直极化阵元 + 32个水平极化阵元）。

这些技术并非完全孤立，而是相互融合、协同工作。Massive MIMO是实现大规模天线阵列的基础架构，波束赋形是其核心能力，波束管理是让这个能力动态有效工作的保障机制。毫米波依靠相控阵技术实现快速波束成形和扫描。AAS是实现前几项技术的物理形态载体。3D赋形、双极化则提升了空间利用效率。分布式MIMO是一种特殊的部署方式。它们共同构成了强大的5G“智能天线”体系。