請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下“理想”中的無線網(wǎng)絡(luò)：每當(dāng)拿起通訊設(shè)備時(shí)，都可以獲得極佳的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和超高的數(shù)據(jù)下載速度；無論我們身在何處，都可以與世界上任何一個(gè)位置緊密地聯(lián)系在一起。這樣的一個(gè)理想無線網(wǎng)絡(luò)，最重要的是可靠性——不會(huì)造成通話中斷、信息無法送達(dá)或網(wǎng)頁打開延遲。為了滿足 5G 這一理想網(wǎng)絡(luò)的特殊性能要求，工程師們正在考慮通過特定的射頻設(shè)計(jì)，將這種技術(shù)變成現(xiàn)實(shí)。

關(guān)于優(yōu)化 5G 網(wǎng)絡(luò)的射頻設(shè)計(jì)思路的總結(jié)

5G 無線網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)在2020 年可實(shí)現(xiàn)使用，它將超越 4G LTE、4G、3G，及以前的所有網(wǎng)絡(luò)。每十年都會(huì)誕生新一代的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并在其后的四年之內(nèi)被推向市場(chǎng)。目前，我們需要持續(xù)開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)讓 5G 可供消費(fèi)者使用。理想的無線網(wǎng)絡(luò)正在不斷完善中，這些用來描述 5G 的預(yù)期進(jìn)展同樣適用于未來更新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

您可能會(huì)在一天之內(nèi)會(huì)多次使用您的智能手機(jī)。皮尤研究中心 (Pew Research Center) 的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，64% 的美國(guó)人擁有某種類型的智能手機(jī)，其中大約三分之二的智能手機(jī)用戶會(huì)使用手機(jī)上網(wǎng)。事實(shí)上，數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明，年輕的智能設(shè)備用戶使用手機(jī)發(fā)送手機(jī)短信和訪問互聯(lián)網(wǎng)的次數(shù)，比接打電話這種傳統(tǒng)的使用方式更加頻繁。在 2015 年 4 月發(fā)布的一項(xiàng)調(diào)查中，18~29歲的用戶中有 97% 曾使用手機(jī)上網(wǎng)，而 93% 的用戶使用手機(jī)打過電話。調(diào)查結(jié)果標(biāo)志著手機(jī)的主要用途發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這一現(xiàn)象激發(fā)了對(duì)可承載更多數(shù)據(jù)量且不會(huì)造成擁堵的移動(dòng)通信高速公路的迫切需求。

智能手機(jī)用戶使用手機(jī)瀏覽網(wǎng)頁，上網(wǎng)處理日常事務(wù)，例如查詢公交線路和時(shí)刻表。曼哈頓發(fā)車時(shí)刻表照片由紐約大都會(huì)運(yùn)輸署

（Metropolitan Transportation Authority of the State of New York）拍攝。已獲 CC BY 2.0 許可，通過 WikimediaCommons 共享。

移動(dòng)通信行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者們認(rèn)同了一系列使 5G 網(wǎng)絡(luò)符合新一代移動(dòng)通信的特殊要求。如上所述，移動(dòng)數(shù)據(jù)的高使用率推動(dòng)了對(duì)無延遲的超高下載速度的需求。您可能認(rèn)為目前的下載速度已經(jīng)非?？炝?，但對(duì) 5G 無線網(wǎng)絡(luò)來說，下載過程必須接近于瞬間完成。由于數(shù)據(jù)需求量的增長(zhǎng)，也應(yīng)當(dāng)使 5G 信號(hào)通信量最小化，以緩解移動(dòng)用戶數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的沉重負(fù)擔(dān)。此外，理想的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)隨時(shí)隨地提供可靠的服務(wù)。這意味著您可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)或無人區(qū)享受到快速流暢的服務(wù)，而并不僅限于城市和近郊，這便是與 4G 和 4G LTE 的不同之處。

5G 兼容設(shè)備本身的成本及能耗相對(duì)較低，這樣就可以使電池使用時(shí)間較當(dāng)前設(shè)備大幅延長(zhǎng)。您給手機(jī)充電的方式可能也會(huì)發(fā)生改變。一些智能手機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無需電源線進(jìn)行充電的功能——電源被安置在基座上，通過電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)基座與手機(jī)之間的無線能量傳輸。人們正在探索例如遠(yuǎn)距離無線電力傳輸?shù)雀嘞冗M(jìn)的充電方式。在這種情況下，電源基座可以在特定距離內(nèi)通過小信號(hào)的傳輸對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電。您無需再將手機(jī)充電插頭插入墻內(nèi)，甚至無需將它插到充電板上。取而代之的是，您可以在口袋里快速對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電。某些 5G 技術(shù)就集成了這些優(yōu)勢(shì)。

無線充電站可對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電。

圖像由 Powermat Technologies 公司的 Veredai 自行拍攝。已獲 CC BY-SA 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。

5G 必須能促進(jìn)已聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備之間的通信。據(jù)相關(guān)人士預(yù)測(cè)，到 2020 年，我們將實(shí)現(xiàn) 5G 技術(shù)，那時(shí)全世界將有 250 億臺(tái)已聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。5G 需要有能力處理已聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備及全球眾多手機(jī)用戶在網(wǎng)絡(luò)上形成的巨大數(shù)據(jù)流量。除了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，5G 也必須以足夠快的速度分析來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，以便更好地服務(wù)消費(fèi)者。

工程師在 5G 設(shè)計(jì)方面的考慮

一名致力于發(fā)展5G 網(wǎng)絡(luò)的工程師，需要考慮多方面的設(shè)計(jì)因素。COMSOL Multiphysics 的射頻功能可以對(duì)這種新興技術(shù)進(jìn)行闡釋。

提高網(wǎng)絡(luò)頻譜

目前，我們的無線網(wǎng)絡(luò)無法處理我們下載的數(shù)據(jù)量——至少無法以理想的速度進(jìn)行下載。為了達(dá)到 5G 要求的數(shù)據(jù)下載速度，無線網(wǎng)絡(luò)需要在更寬的頻率范圍內(nèi)工作。目前的無線網(wǎng)絡(luò)頻譜約為 1 GHz 到 3 GHz。5G 的最低工作頻譜不僅要達(dá)到 6 GHz 以上，還必須能夠處理高達(dá) 100 GHz 的跨度。

對(duì)于 5G 來說，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的工作頻率需要在 30 GHz 左右，這意味著此范圍是 5G 的主要工作頻率。高達(dá) 100 GHz 的頻率需求應(yīng)對(duì)的是更大的冗余需求，例如在一些密集區(qū)域，往往需要額外容量的系統(tǒng)以及更大的帶寬。如果您曾嘗試在音樂會(huì)或觀看體育賽事時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)千人一起同時(shí)使用手機(jī)訪問互聯(lián)網(wǎng)，就會(huì)認(rèn)識(shí)到這一需求的重要性。這樣的補(bǔ)充頻率范圍有助于應(yīng)對(duì)遭受自然災(zāi)害地區(qū)激增的網(wǎng)絡(luò)使用率，因?yàn)闉?zāi)后會(huì)有很多人嘗試與他們關(guān)心的人進(jìn)行聯(lián)系以互道平安；同時(shí)，5G 還能為更多之前從未有過良好移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供額外的“推送”服務(wù)。

雙工器，5G 移動(dòng)系統(tǒng)中使用的組件之一，有助于改善這一問題。為達(dá)到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所需的較寬范圍，雙工器被設(shè)計(jì)為可將信號(hào)分成兩個(gè)不同的頻率范圍。在雙工器中，低頻被用來“聽”（接收）信號(hào)，而高頻用來“說”（發(fā)送）信號(hào)。利用仿真這一簡(jiǎn)單方式對(duì)雙工器設(shè)計(jì)的不同迭代進(jìn)行測(cè)試，可幫助確定其最佳設(shè)置。我們可以通過仿真方法計(jì)算出波導(dǎo)雙工器的 S-參數(shù)和電場(chǎng)，然后對(duì)其進(jìn)行研究，進(jìn)而驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)在 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下是否運(yùn)行良好。

 模擬波導(dǎo)雙工器。

在如上圖所示的 WR-28波導(dǎo)雙工器模型（用于 Ka 波段應(yīng)用）中，下部和上部的帶通分別被設(shè)置為 28 GHz（左圖）和 30.4 GHz（右圖）。仿真結(jié)果表明每個(gè)帶通的輸入功率未與其他帶通進(jìn)行耦合，彼此獨(dú)立分布。

開發(fā)能提供更高頻率的天線

另一種實(shí)現(xiàn) 5G 技術(shù)發(fā)展的方法就是在新的移動(dòng)設(shè)備中增加天線增益。這雖不會(huì)增加手機(jī)信號(hào)的大小，但可以增大手機(jī)與信號(hào)塔之間的信號(hào)傳輸距離。如果回想過去使用的原始手機(jī)，您需要拉出天線才能撥打電話，這種設(shè)備的電路就充當(dāng)了四分之一長(zhǎng)度的單極天線。這些天線在所有方位的增益相同，意味著在 H-平面內(nèi)電磁波傳播具有各向同性，因此信號(hào)同樣均勻地向各個(gè)方向傳播，這使得用戶無論位于任何方位，信號(hào)都能更加可靠地到達(dá)信號(hào)塔。

 移動(dòng)設(shè)備中的平面倒置型 F 天線（planarinverted-F antenna，簡(jiǎn)稱 PIFA）的三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。

隨著手機(jī)在功能和設(shè)計(jì)上的不斷發(fā)展，天線尺寸逐漸趨于小型化并被植入到機(jī)身內(nèi)部，因而使理想的各向同性輻射模式發(fā)生了變形。隨著 3G、4G 和 4G LTE 的發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)不斷進(jìn)步，手機(jī)開始使用小型化的多頻天線替代四分之一長(zhǎng)度的單極天線。

目前一個(gè)在通信中眾所周知的問題就是，在某些區(qū)域使用手機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)或掉線的情況。在某些情況下，當(dāng)您分別站在同一個(gè)房間的不同位置時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生差異。我的同事 Jiyoun Munn 參與了射頻模塊的開發(fā)，他解釋了這種情況經(jīng)常發(fā)生的原因：“當(dāng)您通過手機(jī)進(jìn)行通話時(shí)，通常并不清楚與您手機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)塔在什么方位。同時(shí)，信號(hào)在室內(nèi)傳播時(shí)的多徑衰減效應(yīng)也加劇了這種情況?！?/span>

5G 網(wǎng)絡(luò)要求更高的頻率。正如 Jiyoun 所言：“由于較高頻率在空氣中的衰減比電磁波傳播更加嚴(yán)重，所有需要增加天線增益以到達(dá)更遠(yuǎn)的傳輸距離。天線增益越高意味著輻射模式的方向性越強(qiáng)。因此，天線的可見性或覆蓋角將會(huì)非常小?！闭?yàn)槿绱耍謾C(jī)只能在非常有限的范圍內(nèi)與基站相連接。

四分之一長(zhǎng)度的單極天線（上圖）的傳播具有各向同性，工作頻率較低；而相控陣天線（下圖）使用更大增益對(duì)信號(hào)塔發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行掃描，其工作頻率較高。

改進(jìn)相位進(jìn)展技術(shù)

為了克服高增益天線覆蓋角的缺陷，可以使用有源電子掃描陣列（active electronically scanned array，簡(jiǎn)稱 AESA，也被稱為相控陣），它可通過控制相關(guān)的相位及對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分級(jí)來形成輻射模式，同時(shí)引導(dǎo)天線陣列發(fā)出的波束?！拔挥谔炀€陣列中的每個(gè)天線單元的算術(shù)相位級(jí)數(shù)可改變最大輻射方向。”Jiyoun 說道，“最大輻射方向垂直于等相平面，因此輻射模式與和相位有關(guān)的較快的天線單元的方向相傾斜?！边@是相控陣的基本思想，可以引導(dǎo)波束射向所需方向。

單極天線陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。

相控陣天線是可應(yīng)用于 5G 技術(shù)的最佳天線，它可被用來創(chuàng)建微帶貼片天線，貼片天線是由一簇普通天線制作而成的。通過對(duì)每個(gè)陣列單元的相位級(jí)數(shù)及權(quán)重因數(shù)加以利用，便可以優(yōu)化 5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋角和增益。借助仿真，我們可以評(píng)估相控陣天線的 5G 設(shè)計(jì)性能。計(jì)算機(jī)仿真簡(jiǎn)化了遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式的計(jì)算，并可對(duì)各種輸入?yún)?shù)進(jìn)行全面遠(yuǎn)場(chǎng)分析。

“8×8”相控陣天線的仿真結(jié)果。

      縫耦合微帶貼片天線陣列合成器演示 App 擁有簡(jiǎn)明的用戶界面，可以用來快速測(cè)試 5G 天線設(shè)計(jì)的開發(fā)腳本是否合理。即使是在偏遠(yuǎn)地區(qū)，也可以通過使用網(wǎng)頁瀏覽器打開和運(yùn)行 App?！敖柚朔抡?App，”Jiyoun 說，“設(shè)計(jì)工程師可以核對(duì)天線的漸近解，他們還可以和團(tuán)隊(duì)里的其他同事共享這個(gè) App，以便合作創(chuàng)建出性能最佳的設(shè)備?！庇捎谶@一仿真 App 界面直觀，且專為特定用途而設(shè)計(jì)，這使得您可在 90 秒內(nèi)對(duì)自己設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行測(cè)試和重新測(cè)試，而不需要花費(fèi)兩天時(shí)間進(jìn)行完整的計(jì)算機(jī)仿真。開發(fā)仿真 App 是進(jìn)行此類分析的一種有效且簡(jiǎn)單的方法。

“縫耦合微帶貼片天線陣列合成器”仿真 App。

5G 技術(shù)帶來的重大影響

隨著 5G 時(shí)代的到來，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)我們的房間變成了一個(gè)以技術(shù)為基礎(chǔ)的小社會(huì)。物聯(lián)網(wǎng)，還有如萬聯(lián)網(wǎng)（Internet of Everything）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IndustrialInternet）的其他別稱，這些稱謂都是用于描述智能設(shè)備和信息共享的新時(shí)代的術(shù)語。物聯(lián)網(wǎng)的普及是因?yàn)閹缀趺總€(gè)行業(yè)都能以某種形式受益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

家庭自動(dòng)化和可穿戴設(shè)備（例如健康追蹤設(shè)備和智能手表）就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的流行應(yīng)用，它們可用于追蹤用戶的活動(dòng)和身體數(shù)據(jù)，并在與智能手機(jī)上的 App 相連接后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對(duì)用戶在家庭或日常生活中有用的信息。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，更多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新穎應(yīng)用將成為現(xiàn)實(shí)。在醫(yī)療保健行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可基于患者的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及活動(dòng)情況自動(dòng)分配藥品和進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在媒體領(lǐng)域，智能設(shè)備可追蹤用戶的娛樂和購物偏好，以自動(dòng)推薦相關(guān)產(chǎn)品信息

健康追蹤手環(huán)，消費(fèi)者使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)例子。?

這些智能設(shè)備可對(duì)體溫、步數(shù)、環(huán)境狀況及其他各種因素進(jìn)行收集和分析，對(duì)設(shè)備的整體系統(tǒng)的進(jìn)一步分析提供有用信息。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在獲取分析信息后，“告訴”單個(gè)或多個(gè)智能對(duì)象用這些信息來做些什么（例如打開或關(guān)閉設(shè)備、發(fā)送信息、分散藥物等）以完成整個(gè)周期。

通過對(duì)此類智能設(shè)備之間的射頻干擾的研究，我們可以創(chuàng)建性能最佳的物聯(lián)網(wǎng)。大力促進(jìn) 5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，我們就可以對(duì)智能設(shè)備之間的通信進(jìn)行優(yōu)化，使其更為高效，并且可以突破物聯(lián)網(wǎng)中的不同應(yīng)用間的通信限制。借助改進(jìn)的 5G 網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)發(fā)揮最大潛能，并可在幾年內(nèi)使其在全球范圍內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

關(guān)于優(yōu)化 5G 網(wǎng)絡(luò)的射頻設(shè)計(jì)思路的總結(jié)

離 5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來臨只有幾年時(shí)間了。借助射頻應(yīng)用（例如天線增益、頻率范圍及更詳盡的波束級(jí)數(shù)），我們可以確定，到 2020 年所有人都可以使用到 5G 技術(shù)。借助計(jì)算機(jī)仿真和仿真 App 的力量，我們可以確信我們有能力創(chuàng)造一個(gè)擁有超高傳輸速度和超可靠信號(hào)的全球通信的新時(shí)代。從現(xiàn)在開始大力發(fā)展 5G 技術(shù)吧——讓我們的世界連接得更加緊密！

作者：Brianne Costa