5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構(gòu)探討

人類社會對信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)木薮笮枨笸苿又ㄐ偶夹g(shù)的不斷向前發(fā)展，每一次移動通信的升級，對應(yīng)了下行速率約10倍的提升。作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一的大規(guī)模天線技術(shù)，在基站端布置幾十甚至上百個(gè)天線規(guī)模的天線陣，通過波束成形（beam forming)技術(shù)，構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)客戶的不同波束，并有效減少各個(gè)波束之間的干擾，這種對空間資源的充分挖掘，可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源并且?guī)资兜靥嵘W(wǎng)絡(luò)容量[1-3]。目前，針對5G大規(guī)模天線的研究還未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，處于定制化開發(fā)滿足5G系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)期，產(chǎn)品形態(tài)和方案等各有不同。本文作者根據(jù)多年的研究成果，提出一種工作于Sub-6G的5G大規(guī)模天線的系統(tǒng)架構(gòu)，并對其各系統(tǒng)組成部分進(jìn)行介紹。

1 5G大規(guī)模天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖1所示，展示一種5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構(gòu)，包括密集輻射陣、功分網(wǎng)絡(luò)、耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、盲插型連接器和收發(fā)單元。密集輻射陣由若干雙極化輻射單元按照一定的橫向間距和縱向間距組陣。為減低密集組陣的互藕影響，提升各射頻通道的方向圖一致性和端口隔離度，密集輻射陣中設(shè)計(jì)有去耦裝置。功分網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)單元模塊包含的一組若干輻射單元進(jìn)行激勵(lì)和幅相配置，每組功分網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)的輻射單元個(gè)數(shù)、輻射單元間距決定了單元模塊增益。射頻通道包括單元模塊、功分網(wǎng)絡(luò)和盲插型連接器。在射頻通道數(shù)確定的情況下，單元模塊的增益，單元模塊之間的橫、縱向間距決定了大規(guī)模天線整機(jī)的增益。耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)由多路耦合度一致的定向耦合器多級功分合路構(gòu)成，每一組定向耦合器對應(yīng)一組射頻通道，實(shí)現(xiàn)對該射頻通道的幅相信息進(jìn)行精確檢測。耦合校準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)的作用就是對收發(fā)單元發(fā)送到每個(gè)射頻通道的信號源幅相信息進(jìn)行監(jiān)控，如某個(gè)通道的幅相檢測值偏離了預(yù)設(shè)值，則通過系統(tǒng)算法重新調(diào)整收發(fā)單元的發(fā)射功率和相位。這樣，整個(gè)5G天線系統(tǒng)的工作原理就是，天線射頻通道（包括多個(gè)輻射單元組成的單元模塊）實(shí)現(xiàn)無線傳輸信號的收發(fā)；收發(fā)單元實(shí)現(xiàn)對射頻通道RF信號發(fā)射和接受；耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對收發(fā)單元發(fā)射到每個(gè)射頻通道的發(fā)射功率和相位的監(jiān)測；這樣，系統(tǒng)賦型算法通過調(diào)節(jié)收發(fā)單元激勵(lì)到每個(gè)單元模塊（射頻通道）的幅相權(quán)值配置實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線的精準(zhǔn)3維波束方向圖和3維掃描。要實(shí)現(xiàn)上述5G大規(guī)模天線功能，需對其各結(jié)構(gòu)組成部分的性能指標(biāo)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。

圖1 5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.密集輻射陣及其去耦裝置 密集輻射陣由N×M個(gè)輻射單元按照一定的橫向間距dX和縱向間距dy組陣，中間輔以去耦裝置，其設(shè)計(jì)需要考慮下面幾個(gè)因素：

（1）輻射單元的結(jié)構(gòu)形式；輻射單元的需要小型化設(shè)計(jì)，適合密集組陣列；輻射單元的饋電和安裝結(jié)構(gòu)需要與功分網(wǎng)絡(luò)充分匹配，利用安裝；從減低天線整機(jī)重量的目的出發(fā)，輻射單元需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)；從提高天線生產(chǎn)效率考慮，輻射單元最好能實(shí)現(xiàn)輻射體和饋電片的一體化設(shè)計(jì)。如圖2（a）所示為普通設(shè)計(jì)的鋁合金半波振子，振子基材為鋁合金壓鑄，輻射體和饋電片分離，輻射體和饋電片分別通過焊接固定在功分網(wǎng)絡(luò)上。如圖2（b）所示為改良設(shè)計(jì)的基于LCP(全稱LIQUID CRYSTAL POLYMER，中文名稱液晶聚合物）基材，采用3D-MID技術(shù)（全稱Three –dimensional Molded Interconnect Device，中文名稱三維模塑互連器件，簡稱共形電路），通過LDS（全稱Laser Direct Structuring，中文名激光直接成型）工藝加工成型的微帶輻射單元，他具有輕量化（重量只有鋁合金振子的30%），輻射饋電一體化，全對稱天然防呆、裝配效率高等特點(diǎn)，非常適合大規(guī)模天線應(yīng)用。

（2）輻射單元組陣方式；5G大規(guī)模天線要實(shí)現(xiàn)-60°到+60°的業(yè)務(wù)波束掃描，其橫向單元間距要＜0.55λ，否則會出現(xiàn)掃描角度不夠以及在±60度及附近大角度掃描時(shí)，副瓣電平過高，甚至高于主瓣電平的情況。密集陣列的單元個(gè)數(shù)和縱向間距大規(guī)模天線系統(tǒng)要求的增益決定?？紤]到垂直賦型和單元模塊的輻射單元個(gè)數(shù)組成，一般5G大規(guī)模天線的縱向間距＜0.8λ。圖3展示了由96個(gè)LCP雙極化微帶輻射振子組成的密集陣列。

圖（3） 96單元密集陣列

（3）去耦設(shè)計(jì)；密集輻射陣由于單元數(shù)多，橫向單元間距近（＜0.55λ），各單元模塊之間的互耦非常大，造成各射頻通道的方向圖畸變，一致性差，隔離度惡化。因此，要對密集陣列進(jìn)行去耦設(shè)計(jì)，如圖（3）所示的96單元密集陣列中各列輻射單元之間就有設(shè)置去耦裝置。圖（4）展示了去耦設(shè)計(jì)前后通道方向圖的前后變化。改進(jìn)前陣元的水平半功率波束寬度跨度33.8-75°,且方向圖曲線變形嚴(yán)重，改進(jìn)后的陣元水平半功率波束寬度跨度85-96°，收斂性較好，方向圖曲線變得平滑。

3、功分網(wǎng)絡(luò)及其射頻通道 5G天線系統(tǒng)整機(jī)增益的要求決定了整個(gè)密集陣列的的單元個(gè)數(shù)，而射頻通道數(shù)量決定了單元模塊的輻射單元個(gè)數(shù)，功分網(wǎng)絡(luò)則將單元模塊的多個(gè)輻射單元進(jìn)行饋電激勵(lì)。功分網(wǎng)絡(luò)的幅相權(quán)值決定了單元模塊的預(yù)制傾角，單元模塊預(yù)制傾角決定了5G大規(guī)模天線在方向圖垂直掃描時(shí)在不同傾角時(shí)的增益表現(xiàn)，下表1分析了在單元模塊預(yù)制為0/3/6等三種傾角時(shí)，以96單元陣列為例，整機(jī)天線在不同垂直傾角時(shí)的增益表現(xiàn)。從表格里面可以看出，在大下傾掃描時(shí)，單元模塊預(yù)制6度下傾的增益優(yōu)勢非常明顯。考慮5G基站密度增加，單個(gè)基站覆蓋范圍減少，天線掛高等因素，其工作狀態(tài)更多處于下傾角較大的情況，因此對5G大規(guī)模天線的單元模塊設(shè)置一定的預(yù)制傾角有利于其實(shí)際應(yīng)用。

表1單元模塊預(yù)制不同傾角時(shí)整機(jī)垂直掃描不同傾角時(shí)的增益表現(xiàn)

5G大規(guī)模天線的輻射單元，需電連接在功分網(wǎng)絡(luò)電路上，一般將功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為雙面微帶PCB結(jié)構(gòu)或四層板帶狀線結(jié)構(gòu)，圖5展示了單元模塊固定在雙面微帶功分板PCB上的情況。

圖（5）功分網(wǎng)絡(luò)示意圖

4、耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò) 耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的作用在于實(shí)現(xiàn)對每個(gè)射頻通道的輸入信號進(jìn)行檢測和校準(zhǔn)，如圖（6）所示的耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)原理圖，一組1分2耦合校準(zhǔn)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對2個(gè)射頻通道的信號校準(zhǔn)。這樣，多個(gè)1分2耦合校準(zhǔn)模塊級聯(lián)成一個(gè)1分N的耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對N個(gè)射頻通道的校準(zhǔn)。

圖（6）耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)原理圖

耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)對收發(fā)組件輸入到射頻通道的信號檢測和校準(zhǔn)，首先其自身的幅相一致性要平穩(wěn)，這對耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和加工提出了非常高的要求，耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)幅相一致性問題也是5G大規(guī)模天線要解決的核心技術(shù)難題。首先，其校準(zhǔn)電路要求設(shè)計(jì)為多層板結(jié)構(gòu)的帶狀線傳輸線結(jié)構(gòu)，避免外來信號對校準(zhǔn)電路自身信號的干擾；其次，校準(zhǔn)電路本身同級電路和上下級電路之間也要做好信號屏蔽；最后，耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的PCB加工質(zhì)量，包括壓板精度，線寬線隙，蝕刻因子等做好控制；只有做到以上幾點(diǎn)，才能保證校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)自身幅相的一致性，才能有效檢測收發(fā)組件的輸入信號信息。

5、盲插型連接器 盲插型連接器分別電連接在天線射頻通道的輸入端和收發(fā)組件的輸出端口，結(jié)構(gòu)上要做精確的設(shè)計(jì)定位，實(shí)現(xiàn)天線輸入端和收發(fā)組件信號輸出端口的盲插連接。盲插型連接器的種類和形式較多，可以自由選型，目的都在于實(shí)現(xiàn)天線射頻通道和收發(fā)組件的便捷連接。

6、收發(fā)組件 不同于4G時(shí)代，天線+RRU（Base Band Unit）+BBU(Remote Radio Unit)構(gòu)成分布式基站，5G大規(guī)模天線將天線變成了一體化有源天線AAU（Active Antenna Unit），AAU集成了天線與RRU的功能，每個(gè)數(shù)字接口通過收發(fā)組件獨(dú)立控制每個(gè)射頻通道的信號輸入，通過耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的對每個(gè)射頻通道的信號檢測和校準(zhǔn)來判斷信號強(qiáng)度和相位信息，最后通過系統(tǒng)數(shù)字賦型算法調(diào)節(jié)收發(fā)單元激勵(lì)到每個(gè)射頻通道的幅相權(quán)值配置實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線的精準(zhǔn)3維波束方向圖和3維掃描。

7、5G大規(guī)模天線的發(fā)展趨勢 本文以上章節(jié)介紹了一種5G大規(guī)模天線的系統(tǒng)組成，并對天線的關(guān)鍵組成部分的設(shè)計(jì)提出解決思路。設(shè)備的小型化，集成化，高效性是永恒的主體，第五代移動通信系統(tǒng)將在2020年迎來大規(guī)模應(yīng)用，5G大規(guī)模天線如何更好的服務(wù)系統(tǒng)需求，個(gè)人認(rèn)為還需在以下方面做進(jìn)一步的努力和提升：（1）更小的體積更輕的質(zhì)量，降低天線AAU整機(jī)的部署難度和費(fèi)用；（2）天線模塊化和集成化，提高可生產(chǎn)性，未來的天線模塊應(yīng)該是多層板PCB表貼單元模塊和連接器模塊的高度集成化產(chǎn)品；（3）高效的自動化測試系統(tǒng)，提升多端口大規(guī)模天線的測試效率，解決產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能瓶頸。

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