新标准为5G未来奠定基础《Engineering》|| 天线知识图解（Antenna）

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第3期

作者：Erika K. Carlson

来源：New Standards Release Sets Stage for 5G Future[J].Engineering,2021,7(3):275-276.

导语

5G的发展促使移动通信技术进入了一个全新阶段，并以一种完全不同的方式改变着世界。对于消费者而言，转向5G意味着订阅5G网络提供商的服务并购买具有5G功能的手机。但是，这一简单升级的背后是一个更为复杂的过程，需要实施一系列相关技术并且进行基础架构建设以提供更多的通信功能。

中国工程院院刊《Engineering》2021年第3期刊发《新标准发布为5G未来发展奠定基础》，系统介绍了由第三代合作伙伴计划（3GPP）组织分批发布的行业规范第16版的相关内容及对今后5G发展带来的影响。文章指出，与之前的版本相比，2020年7月完成的最新一批3GPP规范第16版大大扩展了5G标准，并开始涵盖推动5G超越蜂窝网络的技术；内容涵盖了提高5G网络和设备效率的规范、无人驾驶汽车所需的车辆到任意事物（V2X）的通信以及一项允许更密集网络的方案。最后，文章提到，尽管3GPP第16版将5G规范扩展到新的领域，但许多技术细节仍有待解决，也需克服政策、社会和物流领域的一些非技术挑战。

在过去一年左右的时间里，无线通讯公司已经开始推出第五代（5G），即最新一代的无线网络。对于当今的消费者而言，转向5G意味着订阅5G网络提供商的服务并购买具有5G功能的手机。但是，这一简单升级的背后是一个更为复杂的过程，它需要实施技术并且进行基础架构建设，整个过程都是为了提供比更快的智能手机更多的功能。

指导该过程的是由第三代合作伙伴计划（3GPP）组织分批发布的行业规范。总部位于法国瓦尔邦的第三代合作伙伴计划组织是由来自亚洲、欧洲和北美洲的7个电信标准开发组织组成的联盟，其中包括中国通信标准化协会（China Communications Standards Association）、欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute）和美国电信行业解决方案联盟（US Alliance for Telecommunications Industry Solutions）。

与之前的版本相比，最新一批的3GPP规范第16版（于2020年7月完成）大大扩展了5G标准，并开始涵盖推动5G超越蜂窝网络的技术。

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校电气与计算机工程专业副教授Xinyu Zhang表示，5G并非是对前几代无线网络的简单改造。他说：“这需要许多阶段的部署。”先前3GPP中与5G相关的版本分别是由2017年完成的第14版和2019年完成的第15版。

总部位于瑞士日内瓦的国际电信联盟（ITU）负责制定有关5G技术应具有的能力的全球标准，如某些移动宽带速度或特定的延迟。这些标准是通用准则，可确保全球运营商在将其产品推广为5G时提供一些基本水平的服务。在设置完这些通用标准后，3GPP组织就会构思出由工程师开发的更为详细的技术规范，这些规范概述了实现ITU标准的应用程序应该如何工作。第15版主要集中于定义增强型移动宽带服务的规范，如蜂窝网络的更大容量和更快连接速度。

但是，除了增强的移动宽带以外，5G有望提供超可靠的低延迟通信（这是实现实用型自动驾驶汽车的关键组成部分）以及大规模机器类型的通信，这些通信将连接高密度的物联网设备。为了充分发挥5G的潜力，需要为无线网络的新用途定义规格。第16版将3GPP组织的规范移到了这些新领域，从而促进了前所未有的高级应用程序以及最初完整的5G系统的发展。法国巴黎的电信公司Orange S. A.的网络架构师、核心网络和终端3GPP技术规范小组（Technical Specification Group, TSG）主席Lionel Morand说：“第16版被许多人视为真正的5G系统。”在3GPP组织中，三个TSG之一也包括无线电接入网络以及服务和系统。

第16版包括提高5G网络和设备效率的规范、无人驾驶汽车所需的车辆到任意事物（V2X）的通信，以及一项允许更密集网络的方案。后者被称为集成的接入和回程（IAB），其面临的挑战是创建足够密集的网络基础架构，以提供计划的覆盖范围和对5G无线服务的访问。

5G的许多应用（如物联网设备的广泛使用）将需要更多的基站，用以在用户和中央网络之间中继信息。这需要在基站与中央网络之间建立更多的连接。沙特阿拉伯图瓦尔的阿卜杜拉国王科技大学电气和计算机工程专业教授Ahmed Eltawil说，网络提供商可以通过电缆和光纤安装更多的有线连接，也可以无线传输更多的信息。Eltawil说，基站和中央网络之间无线传输信息的困难在于，其占用的频率可能会将基站连接到无线用户，从而为每个基站更多的客户提供服务。IAB通过隔离两条信号路径，使基站能够使用相同的频率从用户处接收信号并将信号发送回中心网络，从而有效地使每个基站的传输容量加倍。Eltawil说，目前用于隔离两个信号路径的技术是存在的，但是如何有效保持这种隔离仍有待研究。他说，IAB是“一种前瞻性的标准”，它将成为5G的一部分，但目前尚未部署。

第16版涉及的另一项技术是网络切片，这是一种被称为软件定义网络（SDN）技术的迭代。SDN使运营商可以通过编程软件重新配置网络以适应新的情况和用途，而无需更改网络的物理布置。“您可以轻松地自定义软件，但无法轻松地更改硬件”，美国阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校电气和计算机工程专业教授FeiHu说道。

网络切片提供了一种将单个网络划分为多个不同用途的独立网络的方法（图1）。Xinyu Zhang说，这还可以使运营商为某些用途预留带宽，因此不会出现网络干扰或服务中断的情况，如视频停滞或通话中断。轻松操纵网络以实现多种用途的能力将是实现5G愿景，即同时实现对自动驾驶汽车和高密度互连设备等多种应用的支持的关键。

图1 图片显示了5G网络切片架构中最相关的元素。网络切片是3GPP组织最新的5G标准，即第16版所描述的技术之一。该技术可将单个网络划分为多个独立的网络，以实现不同的用途。运营商可以通过软件编程对网络进行操作，而无需更改网络的物理布置。来源：Wikimedia Commons（公共领域）

尽管第16版将5G规范扩展到新的领域，但许多技术细节仍有待解决。例如，第16版在定义V2X通信规范、车辆与其他各种设备（包括网络基站和其他车辆）之间的信号交换（图2）方面取得了重大进展。然而，Fei Hu表示定义V2X还需要做更多工作，包括如何使用SDN来管理此类车辆通信。

天线是一个相当庞大的话题，很难用一篇文章来描述天线的每个方面，但我会尝试给出一些天线的各个方面的大图片，主要用于蜂窝应用。

天线是什么？

如何表现天线的性能？

辐射模型

天线增益

总辐射功率TRP

Total Isotropic Sensitivity (TIS)

Effective Isotropic Radiated Power/Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP)

S11

什么是天线？

众所周知，天线是一种将电能(电信号)转换成电磁波并传送到太空的装置。

外面有各种类型的天线，下面是一些例子。这些只是一些例子，还有很多其他类型。看看有多少你熟悉的。

如何表现天线的性能？

有两个主要的标准来评估天线的性能，如下

(a)我应该把电能转换成电磁能，尽可能减少损失;

(b)希望辐射在我需要的方向上。

有几个指标可以代表天线的性能如下

辐射模型；

总辐射功率;

总的各向同性灵敏度。

辐射模型

实际上，信号辐射到三维方向，如下图(b)所示。然而，在三维空间中表示能量传播模式并不总是容易的，有时在三维空间中定量地估计能量传播模式更加困难。所以在许多情况下，我们沿着一个特定的2d 平面切割3d 模式，如(c)和(d)所示。

天线增益(G)

我认为“天线增益”是一个误导性的术语，因为

(a)当我们听到“增益”这个术语时，我们通常认为“这个装置会放大信号，使其产生更大的能量”。但对天线来说不是这样的。大多数天线都是“无源器件” ，它不会放大任何东西。

(b)当我们考虑增益时，增益越高，器件发出的总能量就越高。但这可能不是真正的天线情况下。更高的天线增益可能意味着“更高的能量在一定的方向上传输” ，但它可能并不意味着“总能量出设备”。天线增益的定义是指在某一方向上发射的功率与某一参考点的比值。这通常用 db、dbi 或 dbd 表示。这是用来表示“天线在指定方向上传输能量的效率”的指示器。基本概念可以说明如下。(详情请参阅 http://rcexplorer.se/educational/gain/gain.html )

以下是典型增益值的经验传播模式规则。正如你所看到的，随着天线增益的增加，传播的方向越来越集中，这并不意味着总的传输能量(椭圆包围的区域)变得更高。

如果你想知道增益的数学定义，给你。

在大多数情况下，天线增益用对数单位表示如下。

Total Radiated Power (TRP)

正如这个词所暗示的。这是从各个方向测量的辐射功率之和。TRP 的简单定义如下所示(注意: 这里显示的球体不是天线的辐射方向图。这是一个三维坐标，称为’球面坐标’)。我希望这是直观的，不需要进一步的描述就能让你明白。

TRP有两种，被动TRP 和主动TRP。这种分类来自于测量TRP 的不同方法。实际上它更多的是关于如何通过天线传输信号。在无源TRP 中，通常是隔离的天线，信号通过电路网络分析仪的输出端口(或信号发生器的输出端口)直接馈入天线，并通过电路网络分析仪的输入端口或频谱分析仪的输入端口测量发射功率。在有源TRP中，通常是包括天线在内的整个设备。例如，如果是为了测量移动电话的天线，我们使用整个移动电话作为哑弹。有源色散测量的主要目的是观察天线在真实环境中的性能。在这种情况下，你不能使用网络分析仪或信号发生器通过天线发送信号。你必须使用这个地区大多数人所说的“call box”,也就是综测仪，它基本上是一个 NS (比如，Enodeb，Nodeb，BTS模拟器)之类模拟基站的仪器。我们发送 ue (例如移动电话)一个命令“发送功率 xx dbm 或 max power 的信号” ，并使用“综测仪”或“频谱分析仪”测量传输功率。如果您对正式表达式更感兴趣，TRP 可以如下所示。

如果你喜欢正式的表达，但不熟悉这个表达的意思，下面的评论可能会对你有一点帮助。

现在你可能对 trp 测量更感兴趣，因为我们正在进入5G / NR。Tr 38.817-9.1.1.1中，nr 中 trp 的定义如下。你看，这个方程和上面的几乎一样。你们看到新的术语，叫做EIRP。在高层次的概念，你可以采取 eirp 是一种权力(不完全相同的价值作为权力，但它可以直接从测量权力)。

在实际测量中，测量是在球面坐标系的整个表面上的特定点上进行的。所以我们需要把这个方程转换成离散形式，从实际测量中得到 trp。如果我们用坐标上的单位网格进行测量，方程可以简单如下:

如果测量是在坐标系上不均匀的网格上进行的，则方程式如下:

在这种情况下，比例因子可以从测量点处的小矩形面积推导出来，并可以表示如下所示。

如果你想更深入地了解这些细节，那么你需要参考你的微积分课本或者参考我关于曲面积分例子的笔记。我强烈建议你试着理解这个等式的细节，以及它是如何得出的。它能帮助你理解与天线理论有关的各种数学表达式。作进一步参考。Http://www.antenna-theory.com/definitions/trp.php 各向同性灵敏度首先你可能会问“各向同性”是什么意思 如果你查字典或者谷歌一下，你会发现“所有方向都一样”这样的定义。这意味着“在假设天线是各向同性(辐射 / 接收在相同的强度在所有方向)的基础上，在每个方向上的灵敏度”。事实上，没有这样的天线，是完全各向同性的。更实际的含义可以说明如下(注意: 这里显示的球体不是天线的辐射方向图。这是一个三维坐标，称为’球面坐标’)。如你所见，你测量球面网格交叉点的灵敏度。你会得到不同的测量结果，在所有这些点在现实中。如果你取这些测量值的平均值，你会得到一个单一的值，这表明了

这个球可以告诉你TPR是怎么测试得来的

作进一步参考。指 http://www.antenna-theory.com/definitions/tis.php 有效各向同性辐射功率 / 等效各向同性辐射功率(eirp)如上文所述，大部分天线的性能参数，例如增益 / 尖端 / tis，都是基于对整个表面的测量以及随后的一些额外处理，但 eirp 是一种仅在特定点显示性能的测量(即在特定角度的测量(phi，theta)。

注意: 当我说上面图中的测量功率时，它并不意味着绝对功率(dbm) ，它是一种相对功率，与 istropic 功率有关。这就是为什么被称为等效各向同性辐射功率。这是由几个不同的参数计算出来的，这些参数可以直接测量或者直接给出。正如你在上面的图中看到的，为了准确地指定一个 eirp，你需要指出具体的测量角度。然而，在许多情况下，eirp 这个术语并没有指定任何特定的测量角度。在这种情况下，假设测量角是获得最大 eirp 的角度。例如，如果我们说上面显示的天线的 eirp 没有指定任何特定的角度，它会是我在 theta 0，phy 0测量的 eirp。当我们假设 eirp 在最大值时，可以计算如下:

EIRP = Tx RF Power(dBm) + G(dB) - L(dB)

• Tx RF Power :RF power measured at RF connector of the unitG :Antenna gainL : Feeder loss(cable loss or any other loss)

• S11

• 为了评估天线的性能，我们需要精确地测量以下项目。

• I)有多少功率通过天线传输而不反弹回输入端口;

• II)有多少能量是按照我想要的方向传输的);

• III)有多少微弱的能量可以被天线接收到

• 如果你得到了项目 II)和 II) ，你不需要测量项目 I) ，但是为了得到项目 II)和 III)的精确评估，你必须执行 trp 和 tis 测量如上所述。然而，测量 trp 和 tis 是非常昂贵和费时的。因此，我们需要一种快速而简单的方法来评估天线的性能，这就是上面列出的第一项。第一项最常用的方法是测量 s11。由于 s11显示了有多少能量在输入端反弹，低 s11意味着较少的能量被反弹，这意味着较高的能量通过天线传输。(注意: s11只是告诉你能量传输的大概情况，但是它不能告诉你能量传输的方向)

• 动态天线匹配

• 天线匹配电路的自动调谐正在成为一个热门话题，特别是在手机行业。如果你度娘“自动天线调谐器” ，“动态天线调谐”等关键词，你会发现各种文章，论文和各种调谐技术的专利。这项技术的基本原理很简单。(它本身不调谐天线，而是调谐天线的匹配电路)。例如，假设我们有一个简单的 π型网络类型的匹配电路，如下所示。(在实际应用中，匹配电路会更加复杂。但我想使用最简单的结构，以便于理解)。在传统的实现中，你可以像下面这样构建。建立一个电路如下，不断改变每个组件的值，直到你得到最好的传输天线。如果幸运的话，几个小时就能找到正确的数值。如果你运气不好，你得花上几天几夜才能找到合适的价值。如果天线的目标频率改变了，你就得重复这个过程。

考虑到结构和天线材质的一致性，同一组匹配不一定在所有的天线样品上都表现的最好。为了解决上述问题，业界提出了动态调谐匹配电路的概念。基本的想法是这样的。假设我们用可变电感和可变电容，建立了一个匹配电路。这些可变元件不应该是那些可变元件之一，你可以从本地无线电器材公司购买，并通过手动旋转旋钮设置的价值。他们都应该被设置在电子控制中，使这个电路在没有人为干预的情况下工作。现在棘手的事情是找到(或开发)可变电感和电容器。这些可变装置应以最小的能量(电压、电流)消耗运行。可变电容比可变电感好找多了。

主要由于元件的可用性和其他一些原因，在大多数自动调谐电路中，我们使用可变电容器，如下所示。一旦你建立了一个电路，你可能需要为这些组件找到适合不同情况的正确值，并将这些值存储在一个查找表中，然后根据情况（频段或者频率信息）由控件控制查找表中的值。在这种情况下，如何为每种情况设定正确的查找表将是一个关键问题。

到目前为止一切都OK了吗？？可能是，也可能不是。上面描述的技术的一个问题是，你不能保证预定义的查找表能够适用于所有可能的情况。情况可能会有一点不同于预期的变化，查找表不能做任何好的工作。对于这种情况，通常的解决方案之一是应用一个值并检查结果，然后将结果反馈给调优算法，以便算法能够进行更多的调优。这种方法(闭环方法)可以如下所示。