5G移動(dòng)通信的天線技術(shù)研究

張躍辰

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

面向5G通信的基站終端天線陣列是5G移動(dòng)通信中非常關(guān)鍵的內(nèi)容，通過在維持波束賦形增益和精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上促進(jìn)天線設(shè)計(jì)更加小型化，從而為移動(dòng)通信可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 5G移動(dòng)通信天線技術(shù)概述

5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，我國在2020年后全面推廣5G技術(shù)體系。結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的發(fā)展規(guī)律可知，5G技術(shù)的應(yīng)用能大大提高頻譜能效和應(yīng)用效率。另外，將4G技術(shù)作為5G技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，積極推進(jìn)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)，能夠更好地完成通信管理。多天線接收和多天線發(fā)送技術(shù)是5G系統(tǒng)中有效提升頻譜效率的重點(diǎn)，因此要整合技術(shù)要點(diǎn)，以開展更加合理的技術(shù)控制[1]。結(jié)合多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)發(fā)展要求和內(nèi)容，將空時(shí)編碼研究體系分為空間復(fù)用技術(shù)、空間分集技術(shù)以及空時(shí)預(yù)編碼技術(shù)，如表1所示。

表1 空時(shí)處理編碼體系構(gòu)成

多天線空時(shí)處理技術(shù)能在不增加帶寬的基礎(chǔ)上，保證通信系統(tǒng)容量和頻譜利用率得以提升，最大程度上實(shí)現(xiàn)信道的多徑處理，改善系統(tǒng)性能狀態(tài)，為面向5G移動(dòng)通信的天線處理工作優(yōu)化升級(jí)提供保障[2]。

將手機(jī)天線作為終端天線的基礎(chǔ)，建立基于5G技術(shù)平臺(tái)模式的小型化MIMO天線和陣列模式，不僅能有效維持增益效果，也能保證方向圖、帶寬等都符合既定需求。在建立終端體系的同時(shí)，確保天線輻射特性管理的最優(yōu)化。一方面，為了有效滿足5G移動(dòng)通信全面商用的需求，并兼容5G移動(dòng)通信和現(xiàn)有通信頻段要求，要整合具體應(yīng)用結(jié)構(gòu)，以便建立面向服務(wù)型服務(wù)模式。首先，結(jié)合現(xiàn)有終端安裝通信頻段支持下的天線結(jié)構(gòu)，結(jié)合陣元的實(shí)際需求提高帶寬的范圍，無需寬頻或多頻設(shè)計(jì)就能確保增益和輻射效率。其次，建立面向5G移動(dòng)通信的天線技術(shù)體系，充分結(jié)合小型化技術(shù)要求，保證移動(dòng)通信終端更輕薄。另一方面，在分析小型化寬帶天線研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同場(chǎng)景無線通信要求，配合彎折線加載法、電容電抗元件加載法以及縫隙加載法、感性/容性結(jié)構(gòu)加載法以及超表面加載法等建立更好的面向基站和終端電線的小型化處理體系[3]。

2 面向5G移動(dòng)通信小型化天線技術(shù)內(nèi)容

以面向5G移動(dòng)通信小型化天線陣列設(shè)計(jì)為例，分析耦合原理，同時(shí)對(duì)去耦合設(shè)計(jì)結(jié)果予以討論。

2.1 列陣天線耦合原理

列陣天線是由兩個(gè)以上天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列，并通過適當(dāng)?shù)募?lì)模式獲取預(yù)定輻射特性的特殊天線。對(duì)輻射源和天線饋電電流予以處理，能有效獲取不同的特定輻射。要想完成5G移動(dòng)通信基站小型化天線陣列處理工作，就要充分關(guān)注Massive MIMO應(yīng)用和高質(zhì)量波束賦形需求，確保列陣天線隔離度滿足標(biāo)準(zhǔn)，并且尋找匹配的陣列去耦合方法[4]。

在天線陣列中，互耦也是非常關(guān)鍵的情況。一方面，天線陣元之間的互耦會(huì)造成每個(gè)陣元輸入阻抗和單元本身輸入阻抗的差異。另一方面，反射波的產(chǎn)生也會(huì)對(duì)天線列陣方向圖造成影響，影響天線陣列的主瓣增益?；诖?，為了有效解決列陣天線耦合產(chǎn)生的負(fù)面影響，就要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求選取匹配的去耦合方式。反向耦合相消法原理如圖1所示。

圖1 反向耦合相消法原理

由圖1可知，針對(duì)相鄰陣列等幅同向饋電，在沒有出現(xiàn)隔離臂的情況下，天線1和天線2就會(huì)產(chǎn)生和傳輸方向相同的耦合電流。此時(shí)，天線1的傳輸電流和天線2的傳輸電流處于同向狀態(tài)，改變天線2自身的阻抗數(shù)值就會(huì)形成天線之間的互耦[5]。而在增加隔離臂后，天線1和天線2之間形成耦合電流的同時(shí)，在隔離臂結(jié)構(gòu)左端會(huì)形成參數(shù)相同的電流，經(jīng)過隔離臂傳輸就會(huì)形成與左端相反的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)反向耦合相消[6]。

2.2 去耦合過程

為了全面了解面向5G移動(dòng)通信小型化天線列陣中加載去耦模塊的情況，就要分析在沒有增加去耦模塊情況下的耦合特性。未添加去耦合模塊的雙天線陣列如圖2所示。

圖2 未添加去耦合模塊的雙天線陣列

依據(jù)組成天線陣列的情況，若是介質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)變化，未加載耦合模塊的狀態(tài)下會(huì)增加控制隔離度和回波損耗?；诖?，天線列陣要依據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加去耦合模塊。

去耦等效電路圖如圖3所示。增加去耦隔離臂的方式中，將天線1的左側(cè)作為基準(zhǔn)線，就會(huì)在天線2中產(chǎn)生和數(shù)值傳輸方向相同的電流，以便于去耦隔離臂上形成和傳輸方向相同的電流。若是將天線2作為基準(zhǔn)線，則去耦隔離臂上的電流和耦合電流的方向就會(huì)呈現(xiàn)出相反的狀態(tài)，這就能實(shí)現(xiàn)去耦的要求[7]。

圖3 去耦原理

在面向5G移動(dòng)通信小型化天線設(shè)計(jì)中，盡管去耦隔離臂會(huì)有效增加天線陣元之間的隔離度，然而增加隔離臂操作結(jié)束后依舊無法滿足隔離度的標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，合理控制回波損耗，在設(shè)定天線陣元參數(shù)的同時(shí)優(yōu)化阻抗帶寬，避免損耗量增大。其中，有效增加去耦中和線具有較為突出的優(yōu)勢(shì)。將反向耦合相消的基礎(chǔ)理論作為陣元隔離度的控制模式，將天線1作為基準(zhǔn)線，右端天線2耦合電流方向和傳播方向一致，電流會(huì)在去耦中和線傳輸結(jié)束后與天線2左端電流方向相反，此時(shí)就能實(shí)現(xiàn)去耦合的目的。也就是說，增加去耦中和線后，回波損耗和隔離度會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。天線在2.05～3.5 GHz的回波損耗低于-10 dB，滿足天線預(yù)期的工作帶寬要求和標(biāo)準(zhǔn)[8]。除此之外，在小型化CPW饋電Y型單極子天線設(shè)計(jì)處理基礎(chǔ)上搭建對(duì)應(yīng)的面向5G移動(dòng)通信基站的天線陣列，要想實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用要求和目標(biāo)，就要進(jìn)行去耦合處理，并著重分析耦合方式的匹配度[9]。

3 發(fā)展分析

將天線系統(tǒng)分為新理念設(shè)計(jì)天線和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)天線，結(jié)合極化、行波等內(nèi)容要點(diǎn)建立完整的規(guī)模化控制模式，在構(gòu)建集群陣列的同時(shí)形成波束賦形和分級(jí)增益的服務(wù)模式。未來，5G移動(dòng)通信天線技術(shù)將朝著小型化、智能化、多制式、集中式等方向發(fā)展。通過多種制式共用一面超寬帶天線，實(shí)現(xiàn)天線工作頻段方面多制式的合理覆蓋，并且能結(jié)合不同的系統(tǒng)要求對(duì)單個(gè)制式予以獨(dú)立性調(diào)控，維持應(yīng)用管理的綜合效果，在發(fā)揮5G移動(dòng)通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)提高通信質(zhì)量。除此之外，波束的分裂與賦形、智能遠(yuǎn)程控制等將成為移動(dòng)通信天線技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢(shì)，為系統(tǒng)互操作和資源優(yōu)化利用創(chuàng)造良好的空間，助力天線與射頻模塊連接從分離式轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺剑畲蟪潭壬蠈?shí)現(xiàn)合理性部署，同時(shí)也為網(wǎng)絡(luò)扁平化發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)[10]。

4 結(jié) 論

總而言之，5G移動(dòng)通信天線技術(shù)取得了一定的成果。為了更好地發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)作用，還需要深度挖掘技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容，整合技術(shù)體系和關(guān)鍵點(diǎn)，在毫米波天線技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小型化天線技術(shù)處理的發(fā)展目標(biāo)，提高通信質(zhì)量和水平，為移動(dòng)通信可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。