第1章 大规模天线技术发展概述
1.1 无线通信系统和天线
最早的无线通信系统使用狼烟、火炬、闪光镜、信号弹或者旗语，在视距内传输信息。为了能够传输更复杂的消息，人们又精心设计出用这些原始信号组成的复杂信号。为了能传得更远，人们在山顶道路旁建立了一些接力观测站。直到1838年，这些原始的通信网才被塞缪尔·莫尔斯（Samuel Morse）发明的无线电报网替代，接着又被电话取代。1895年，马可尼成功地进行了无线传输的实验，现代意义下的无线通信正式诞生。从此以后，人类社会在无线电的研究、开发和应用方面取得了十分辉煌的成绩。特别是进入21世纪后，在新技术革命和全球信息高速公路建设浪潮的影响下，无线通信技术的发展势头更是突飞猛进，这使我们能够在更远的传输距离上实现更高的通信质量、更低的功耗、更小体积的天线和更便宜的价格，也使公网和专网的无线通信成为现实。
20世纪70年代末，人类进入第一代移动通信技术（1G）时代，这一时期的技术是以频分多址（FDMA）为基础的模拟移动通信系统。由于受频谱利用率低的限制，第一代移动通信只能传输语音信号，对于传输大数据只能是可望而不可即的。20世纪80年代后期，人类进入以数字移动通信技术为标准的第二代移动通信技（2G）时代。在这一时期，研究人员利用时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术，提高了频谱利用率，从而可以支持更大的信道容量。在此基础上，电信运营商推出了GPRS和EDGE等更加先进的技术，使移动传输速率提高到每秒数百兆，也有人称这种技术为2.5代移动通信技术。
进入21世纪后，为了进一步提高移动通信的信道容量，基于WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA技术的第三代移动通信技术（3G）开始崭露头角。第三代移动通信技术支持多种业务，提高了传输速率，增加了频带宽度，并且服务质量更高、成本更低。然而，移动通信技术仍然面临有限的频谱及越来越复杂的实时信道环境，如衰减和多径效应等。因此，在不占用额外的频谱和传输功率的前提下增加系统的传输速率和传输的可靠性变得至关重要。在这种情况下，基于多输入多输出技术的第四代移动通信技术（4G）诞生了，其传输速率可达1Gbit/s。从贝尔打出人类社会的第一个电话，到迈入5G时代的今天，整个过程就是工业时代转入互联网时代的缩影。从2G时代开始，几乎每10年我们就会迎来速率提升的新浪潮，新的移动通信技术彻底改变了我们的生活方式。移动通信产业一直在快速地发展，移动通信的收入目前以每年20%～30%的速度显著增长，并很有可能持续数年。
移动通信系统中，天线是无线传播的重要接口，无线数据的传输都是依靠天线来完成的，天线的核心功能是向一定方向辐射或接收无线电波。发射天线将无线电发射机输出的射频信号转换为电磁波辐射出去；电磁波到达接收地点后，由接收天线将电磁波转换为高频电流，并通过馈线送到无线电接收机。天线设计是为了满足增益、极化、波束宽度、旁瓣强度、效率和辐射模式的要求。发送端和/或接收端使用多天线为空口开启了一个新的维度—空间域，如果能合理地利用空间域，会极大地提升系统性能。
1887年，德国卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授证实了电磁波的存在，并建立了第一个天线系统。1901年，意大利博洛尼亚研究者马可尼在赫兹教授的天线系统上添加了调谐电路，为较长波长配备大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到来自英格兰波尔多发送的无线电报。在这些初期的研究上，天线设计获得了广泛的关注和应用，其发展大致可划分为3个历史阶段。
线状天线时期（19世纪末至20世纪30年代初）。1901年马可尼开辟了无线电远距离通信的新时代，他所用的发射天线是从48m高的横挂线斜拉50根铜导线形成的扇形结构，该天线可认为是第一个实用的单极天线。随着电子管的发明和发展，移动通信从长波通信，发展到中波通信，并因电离层的发现，1924年前后开始了短波通信和远程广播，逐步建立了线状天线的基本理论。
面状天线时期（20世纪30年代初至20世纪50年代末）。第二次世界大战前夕，由于微波速调管和磁控管的发明，面状天线得以出现，厘米波得以普及，无线电频谱得到更为充分的利用。这一时期，抛物面天线或其他形式的反射面天线得以广泛使用，此外，还出现了波导缝隙天线、介质棒天线、螺旋天线等。这一时期，建立了口径天线及其基本理论，发明了天线测试技术，并开发了天线阵列增强等综合技术。
大发展时期（20世纪50年代至今）。1957年人造地球卫星上天标志着人类进入开发宇宙的新时代，也对天线提出了多方面的高要求，如高增益、精密跟踪、快速扫描、宽频带、低旁瓣等。同时，电子计算机、微电子技术和现代材料的发展又为天线理论与技术的发展提供了必要的基础。当今，天线技术虽已具有成熟科学的许多特征，但仍然是一个富有活力的技术领域。天线的主要的发展方向包括多功能化（以一代多）、智能化（提供信息处理能力）、小型化、集成化及高性能化（宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等），具
体内容如下。
多种制式网络共天馈应用。未来多种制式共用超宽带天线，不仅天线工作频段覆盖多个制式，而且可以根据系统的不同要求实现每一个制式的独立调节。多制式天线的应用将节省建站成本和节约天面资源，灵活满足每种制式的网络覆盖要求。
天线功能模式向智能化方向发展。未来天线实现智能化的波束赋形、波束指向控制、波束分裂和远程控制灵活满足各种场景的应用需求。通过天线的智能化实现系统间互操作和资源的优化利用，最终实现智能化的运维方式。
天线体积小型化。天线体积小型化是在保证天线性能基本不变的条件下，减小天线的体积。天线体积小型化是一种基础性技术，是天线永恒的发展方向。
天线与射频模块连接由分离式向集中式发展。未来，集中式的设备代替分离式的设备，光纤代替电缆，天线与主设备实现小型化和一体化并充分结合，实现资源的节约和灵活的部署方式，适应网络扁平化的发展趋势。
随着现代通信技术的不断发展，如何降低多径衰落和干扰对传输速率和频谱带宽的影响，从而提升整个网络的吞吐量和提高通信质量，是多天线技术急需解决的问题，值得人们去研究。
