探析5G大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)架構

本文針對第5代移動通信的關鍵技術之 一——大規(guī)模陣列天線，提出一種天線系統(tǒng)架構，包括密集輻射陣、功分網(wǎng)絡、耦合校準網(wǎng)絡、盲插型連接器和收發(fā)單元。并對5G大規(guī)模天線系統(tǒng)的每個組成部分進行詳細介紹，對在技術開發(fā)過程中會遇到的技術難題提出解決措施建議,在此基礎上，探討后續(xù)5G大規(guī)模天線的發(fā)展趨勢和優(yōu)化方向。

人類社會對信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)木薮笮枨笸苿又?a href="http://ttokpm.com/soft/data/43-44/" target="_blank">通信技術的不斷向前發(fā)展，每一次移動通信的升級，對應了下行速率約10倍的提升。作為5G關鍵技術之一的大規(guī)模天線技術，在基站端布置幾十甚至上百個天線規(guī)模的天線陣，通過波束成形（beamforming)技術，構造朝向多個目標客戶的不同波束，并有效減少各個波束之間的干擾，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)標準或國家標準，處于定制化開發(fā)滿足5G系統(tǒng)應用時期，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，并對其各系統(tǒng)組成部分進行介紹。

1、5G大規(guī)模天線系統(tǒng)結構

如圖1所示，展示一種5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構，包括密集輻射陣、功分網(wǎng)絡、耦合校準網(wǎng)絡、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，密集輻射陣中設計有去耦裝置。功分網(wǎng)絡將每個單元模塊包含的一組若干輻射單元進行激勵和幅相配置，每組功分網(wǎng)絡激勵的輻射單元個數(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)模天線整機的增益。耦合校準網(wǎng)絡由多路耦合度一致的定向耦合器多級功分合路構成，每一組定向耦合器對應一組射頻通道，實現(xiàn)對該射頻通道的幅相信息進行精確檢測。耦合校準的網(wǎng)絡的作用就是對收發(fā)單元發(fā)送到每個射頻通道的信號源幅相信息進行監(jiān)控，如某個通道的幅相檢測值偏離了預設值，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5G天線系統(tǒng)的工作原理就是，天線射頻通道（包括多個輻射單元組成的單元模塊）實現(xiàn)無線傳輸信號的收發(fā)；收發(fā)單元實現(xiàn)對射頻通道RF信號發(fā)射和接受；耦合校準網(wǎng)絡實現(xiàn)對收發(fā)單元發(fā)射到每個射頻通道的發(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)單元激勵到每個單元模塊（射頻通道）的幅相權值配置實現(xiàn)大規(guī)模天線的精準3維波束方向圖和3維掃描。要實現(xiàn)上述5G大規(guī)模天線功能，需對其各結構組成部分的性能指標進行精確設計。

圖1 5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構圖

2、密集輻射陣及其去耦裝置

密集輻射陣由N×M個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，其設計需要考慮下面幾個因素：

（1）輻射單元的結構形式；輻射單元的需要小型化設計，適合密集組陣列；輻射單元的饋電和安裝結構需要與功分網(wǎng)絡充分匹配，利用安裝；從減低天線整機重量的目的出發(fā)，輻射單元需要進行輕量化設計；從提高天線生產(chǎn)效率考慮，輻射單元最好能實現(xiàn)輻射體和饋電片的一體化設計。如圖2（a）所示為普通設計的鋁合金半波振子，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)絡上。如圖2（b）所示為改良設計的基于LCP(全稱LIQUID CRYSTAL POLYMER，中文名稱液晶聚合物）基材，采用3D-MID技術（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，非常適合大規(guī)模天線應用。

圖2（a）鋁合金半波振子

圖2（b）LCP微帶振子

（2）輻射單元組陣方式；5G大規(guī)模天線要實現(xiàn)-60°到+60°的業(yè)務波束掃描，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，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）去耦設計；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，要對密集陣列進行去耦設計，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置去耦裝置。圖（4）展示了去耦設計前后通道方向圖的前后變化。改進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重，改進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。

圖4（a）去耦前方向圖

圖4（b）去耦后方向圖

3、功分網(wǎng)絡及其射頻通道

5G天線系統(tǒng)整機增益的要求決定了整個密集陣列的的單元個數(shù)，而射頻通道數(shù)量決定了單元模塊的輻射單元個數(shù)，功分網(wǎng)絡則將單元模塊的多個輻射單元進行饋電激勵。功分網(wǎng)絡的幅相權值決定了單元模塊的預制傾角，單元模塊預制傾角決定了5G大規(guī)模天線在方向圖垂直掃描時在不同傾角時的增益表現(xiàn)，下表1分析了在單元模塊預制為0/3/6等三種傾角時，以96單元陣列為例，整機天線在不同垂直傾角時的增益表現(xiàn)。從表格里面可以看出，在大下傾掃描時，單元模塊預制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置一定的預制傾角有利于其實際應用。

表1單元模塊預制不同傾角時整機垂直掃描不同傾角時的增益表現(xiàn)

5G大規(guī)模天線的輻射單元，需電連接在功分網(wǎng)絡電路上，一般將功分網(wǎng)絡設計為雙面微帶PCB結構或四層板帶狀線結構，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)絡示意圖

4、耦合校準網(wǎng)絡

耦合校準網(wǎng)絡的作用在于實現(xiàn)對每個射頻通道的輸入信號進行檢測和校準，如圖（6）所示的耦合校準網(wǎng)絡校準原理圖，一組1分2耦合校準模塊，能夠實現(xiàn)對2個射頻通道的信號校準。這樣，多個1分2耦合校準模塊級聯(lián)成一個1分N的耦合校準網(wǎng)絡，實現(xiàn)對N個射頻通道的校準。

圖（6）耦合校準網(wǎng)絡校準原理圖

耦合校準網(wǎng)絡要實現(xiàn)對收發(fā)組件輸入到射頻通道的信號檢測和校準，首先其自身的幅相一致性要平穩(wěn)，這對耦合校準網(wǎng)絡的設計和加工提出了非常高的要求，耦合校準網(wǎng)絡幅相一致性問題也是5G大規(guī)模天線要解決的核心技術難題。首先，其校準電路要求設計為多層板結構的帶狀線傳輸線結構，避免外來信號對校準電路自身信號的干擾；其次，校準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，耦合校準網(wǎng)絡的PCB加工質量，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，才能保證校準網(wǎng)絡自身幅相的一致性，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，結構上要做精確的設計定位，實現(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時代，天線+RRU（Base Band Unit）+BBU(Remote Radio Unit)構成分布式基站，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，每個數(shù)字接口通過收發(fā)組件獨立控制每個射頻通道的信號輸入，通過耦合校準網(wǎng)絡的對每個射頻通道的信號檢測和校準來判斷信號強度和相位信息，最后通過系統(tǒng)數(shù)字賦型算法調(diào)節(jié)收發(fā)單元激勵到每個射頻通道的幅相權值配置實現(xiàn)大規(guī)模天線的精準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，并對天線的關鍵組成部分的設計提出解決思路。設備的小型化，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)模應用，5G大規(guī)模天線如何更好的服務系統(tǒng)需求，個人認為還需在以下方面做進一步的努力和提升：

（1）更小的體積更輕的質量，降低天線AAU整機的部署難度和費用；

（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。