作者：Stephen Drinan
Director of Core Products，Micro Solutions
忘掉您父亲在车库里试验的火腿无线电设备和巨大的偶极子吧，5G 天线将开启一个全新的世界。
Molex 莫仕最近进行的“5G 现状”调查显示，成功推出 5G 是一项非常错综复杂的工作，涉及许多活动部件。有一个关键因素很少成为“热门话题”，那就是移动天线。
要充分了解 5G 天线设计所面临的艰巨挑战，我们需要从桅杆基础设施和设备内天线设计两方面进行全面考虑。在自上而下的基础上，业界目前正在推进波长和频率的折衷方案，即非独立 (NSA) 新无线电 (NR)，它将继续支持 6GHz 以下频率的 3G 和 4G。不过，5G 通信的长期目标是结合使用 6GHz 以下的频率和大约 24GHz - 100GHz 之间的频谱。无线电设计人员面临的基本难题是：频率越高，波长越短。这给天线设计带来了挑战。
对于 5G，尤其是在相对较高频率的毫米波 (mmWave) 领域，仍然存在未知数。过去，这些波长在地面通信中往往被忽略，因为它们在“衰减”之前只能传播很短的距离，比如说最多几百米或一公里。 即使是天气和几棵打湿的树也会对性能造成影响。这时，5G 的炒作就会让许多用户抓耳挠腮。
权衡利弊
显然，5G 部署需要权衡利弊。毫米波频率越高，数据吞吐量就越大，但信号传播也就越脆弱。工程师会遇到这些现象：多路径（通信中断）、路径损耗和数据包丢失。因此，急需大量新型基站和小基站，这包括毫微微蜂窝、宏蜂窝、纳米蜂窝和微微蜂窝。
这些基站和小基站的基本核心部件是天线阵列，即用于接收和传输的多天线。这种技术被称为 MIMO（多输入、多输出）。这种技术并不新鲜。
MIMO 是对多路径 (Multipath) 的一种回应，多路径是指信号在进入建筑物并试图穿过门窗、电梯井等时被中断，在此过程中会产生信号反射。MIMO 通过使用多个天线将这种“混乱”结合起来，以保持数据传输的一致性。在大范围内，这就是所谓的“大规模多输入多输出 (Massive MIMO)”。这是一个正在进行深入研究的领域，Molex 莫仕也不例外，在天线设计领域拥有数十年的丰富经验和专业知识。我们可以预期 6GHz 以下通信将使用 4 x 4 MIMO，毫米波 5G 将使用 2 x 2 MIMO。
方向性问题
传统上，无线电波的传播就像石头掉进水里一样。如果把天线比作石子，通常无线电波会以“涟漪”的形式环形传播。
在毫米波 5G 的情况下，更高的频率会给射频传播带来高度的方向性，在“5G 现状”调查中，逾四分之一的受访者表示毫米波传播问题带来了挑战 (26%)。有鉴于此，天线设计变得尤为重要，以尽可能利用这种接近“视距”的传播。事实上，在真正巧妙的天线设计中应用多输入多输出 (MIMO) 技术时，不仅可以减轻多路径效应，还可以利用“大规模多输入多输出 (massive MIMO)”技术来实现“波束形成”和“波束转向”，使方向性对用户有利。
当然，如果要避免 5G 基站在“密集的城市”环境中扩散时变得有碍观瞻（这里的“密集”指的是通信以及人员和建筑物），这些 5G 天线应该相对较小。 幸运的是，情况很可能就是这样。
5G 在手
说到支持 5G 的消费类移动设备，除了目前的 6GHz 以下频段外，毫米波频段也增加了射频前端的复杂性和拥挤度。因此，包括天线在内的额外有源和无源元件不仅必须小巧，而且必须实现微型化，并能与多个其他无线电设备共存，而不会产生干扰和串扰。如果要让 5G 消费者继续享受他们喜欢的时尚手机外形，同时实现高度可靠的连接，那么研发工作将面临巨大的挑战，而且在未来数年内都将如此。
如何实现？
半导体设计者、智能手机 OEM 厂商、制造商、运营商和研发实验室已经开始合作，积极采用创新技术实现射频前端元件的微型化，例如 Molex 莫仕的射频柔性线缆对板连接器和 3D 天线。
“5G 现状”调查显示，成功推出 5G 是一项非常错综复杂的工作，涉及许多活动部件。对于工程师来说，这并不奇怪，因为即使是电路板上的一小块焊料，在高频率下也会成为混响天线。在更高的 5G/毫米波频率下，重要的问题不仅限于设备加天线 (device-plus-antenna) 的谐振性能，还包括天线罩。
无论是金属、玻璃、塑料甚至陶瓷，天线罩的电介质都不薄，这会对天线的辐射性能产生重大影响。此外，天线相对于用户手部的位置也会对毫米波传输和接收产生重大影响。
尽管如此，研发工程师还是有一些选择。精心设计天线罩材料并将其与天线系统集成，可以优化移动设备天线的辐射模式。此外，天线调谐技术（如孔径和阻抗调谐）可以在更宽的带宽上提高信号增益，并延长电池寿命。
天线调谐系统还必须能够支持更多的调谐器状态以及每个调谐器状态更宽的频率带宽，这是因为 5G 和其他蜂窝频段可能会采用更高阶的载波聚合 (CA)。
与 5G 推广过程中的许多要素一样，天线技术的进步必须是务实和渐进的，而不是革命性的。Molex 莫仕凭借多年来在众多地区和行业领域积累的实际专业知识，充分利用其产品和射频系统制造专长，帮助实现 5G 运营，使制造商能够提供消费者期待的时尚美观的手机。