一般手机的天线位于手机的顶部和底部,使得触摸屏无法完整覆盖整个手机。然而,一种新型天线,则需要更小的空间,使得手机显示屏可以变得更大,手机的设计也变得更加自由。

(图片来源于:芬兰阿尔托大学

引言


下一代无线通信技术5G的脚步已经悄然接近。然而,天线技术,在无线通信系统中起着至关重要的作用。芬兰阿尔托大学的研究人员,使用了一种新型技术手段,让天线从模拟走向数字,使其占有空间更小,传输数据速度更快,辐射效率更高。

天线技术的重要性

天线,用于发射和接受无线电波,传统的手机天线一般暴露于手机外部,而新型手机天线一般隐藏于机身内部。另外,传统的手机天线都是由模拟部件组成的,使用的是半个世纪前的技术。传统情况下,一个天线可以工作在一个或者几个不同频率下。天线,一直在通信终端和系统中处于很重要的地位。

然而,对于5G系统来说,天线技术也很重要,IntelligentThings曾在《Flex5Gware项目:推动5G平台及关键技术研发》(点此阅读)一文,以及《“氮化镓”制成的功率放大器 助力5G无线移动通信》(点此阅读)一文,都有提及天线技术,特别是实现小体积,高带宽,低功耗新型天线系统以及适用于毫米波技术的天线。另外,《新型全双工通信芯片:使用单个天线同时同频收发数据》(点此阅读),也指出了使用单个天线支持全双工通信的技术。由此看来,天线技术对于下一代5G通信系统来说,扮演着很重要角色。


(图片来源于:Negar Reiskarimian/Columbia Engineering)

新天线技术简介

现在,芬兰研究人员使用高级数字电子技术取代模拟技术,将几个小天线元件组合成单个天线使用。这个天线,可工作在任何频率下。所以,许多智能手机应用,例如GPS、蓝牙、Wi-Fi不再需要自己单独的天线,所有这些手机上的数据传输,可以通过单个数字天线进行。

这项技术,不仅方便了手机的设计,同时也减少了原本天线所占用的空间,让显示屏变得更大。这种新的天线,也可以满足下一代手机通信系统5G的数据传输速率的要求,比目前的手机要快100到1000倍。并且,由于这种技术的高效性,功耗也相对低,所以电池寿命也会相应提高。

新技术的意义

这项新技术,不仅为天线带来了更大的通信带宽、更高的数据传输率和辐射效率,也去除了以往传统天线用来调谐特定频率的模拟元件,从而有效促进了天线设计,使得天线更小且辐射效率更高。

使用这种标准技术设计天线,还可以获取更加宽泛的频率范围,以及更高的辐射效率。但是,不能二者不能同时兼得。最近,移动手机天线的辐射效率最近有所下降,这是因为其使用的频率范围持续增加。较低的辐射效率,又导致了较短的传输范围,所以运营商需要通过更加密集的基站网络来补偿。在手机和基站端,都浪费了不少能量。另外,由于基站网络密度的增加,成本也相应上升。

无线电工程专业的教授Ville Viikari,认为这项新技术将为5G移动手机带来彻底的技术变革,也让芬兰引领移动手机天线的开发在21世纪初,芬兰科学家开发的天线成为了目前手机使用的主流天线。另外,伟大的手机制造商诺基亚也是芬兰企业。现在,这项新技术或许又将引领新一代移动手机终端。

未来展望

下一步,研究人员计划和华为进行配合,使用5G移动手机设备进行测试,同时也将和阿尔托大学的研究人员一起开发控制天线的数字电子系统。


参考资料

【1】Jari-Matti Hannula, Jari Holopainen, Ville Viikari. Concept for Frequency Reconfigurable Antenna Based on Distributed Transceivers. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016; 1 DOI: 10.1109/LAWP.2016.2602006

【2】http://www.aalto.fi/en/current/news/2016-08-31-002/