5G基站天線電磁兼容問題及相關解決措施

摘要：5G移動通信是在兼容了4G移動通信的基礎上存在的，現(xiàn)今5G已經(jīng)開始進入到商用階段，這就導致建在4G移動通信基礎上的5G基站天線系統(tǒng)必須面臨新的兼容挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)信號的高效覆蓋，5G基站天線系統(tǒng)采用了將百個天線單元共存于一個空間的方式。這種布局方式一方面會增加基站的運營成本，另一方面也會增加技術難題。因此，為了有效解決這個問題，業(yè)內(nèi)采取的方法是將2G、3G、4G以及5G各頻段的天線陣列進行一體化排列，通過緊湊的陣列布局來實現(xiàn)多個網(wǎng)絡制式的信號覆蓋與通信目的。然而，多個頻段的天線同時存在于一個空間內(nèi)，會產(chǎn)生電磁干擾的問題，這又是一個需要解決的新問題。基于此，本文將分析5G基站天線面臨的電磁兼容問題及對策。

關鍵詞：5G基站天線；電磁兼容問題；對策

5G移動通信的出現(xiàn)成功解決了各種問題與難題。隨著5G時代的來臨，各大運營商正在積極地部署5G設備。5G的傳輸速率預計將是4G的10倍，簡單來說，5G的傳輸速率可以實現(xiàn)1秒1Gb。這對于5G基站的天線系統(tǒng)來說是一次巨大的創(chuàng)新挑戰(zhàn)，需要在毫米波及波束形成技術方面研究高速率的實現(xiàn)策略。然而，基于4G通信技術基礎的5G基站天線難以達到這一要求。具體來說，5G需要怎樣的基站天線呢？在建設適合5G的基站天線過程中又會出現(xiàn)什么問題呢？本文將具體分析這兩個問題，并深入研究5G基站天線面臨的電磁兼容問題及相應的解決對策。

一、5G基站天線相關分析

5G移動通信從最開始1G時代全向天線時代開始發(fā)展，經(jīng)歷了2G、3G、4G時代，現(xiàn)在進入了5G時代。在整個變遷過程中，天線的存在價值一直反復被強調(diào)。移動通信中最關鍵的技術一直在變化中，同一時刻能處理的信息量在不斷增加。在這個過程中，天線發(fā)揮了巨大的價值。根據(jù)業(yè)界對天線的定義，天線是一種能將導行波轉(zhuǎn)換成電磁波，或者將電磁波轉(zhuǎn)換為導行波的變換器。在傳輸速率提高的過程中，天線起到了重要的作用。簡單來說，無論是在基站接發(fā)信號還是在移動端接發(fā)信號，天線都是不可缺少的重要組件。隨著5G移動通信時代的到來，信息傳遞速度發(fā)生了巨大變化，速度將是4G時代的十倍。這對于天線系統(tǒng)來說是一項超越式的挑戰(zhàn)。那么，在5G移動通信中，什么樣的天線是最適合的呢？通過分析基站天線的演變和發(fā)展趨勢，可以確定5G基站天線應該是怎樣的，并進一步探討5G基站天線可能面臨的問題和解決對策。

基站天線與移動網(wǎng)絡通信同步發(fā)展，隨著信息傳輸速度加快，基站天線的建設技術也在不斷提高。在1G時代，基站天線是全向天線，用戶少，信息傳輸速率較低，此時還是模擬系統(tǒng)。2G時代，基站天線變?yōu)槎ㄏ蛱炀€，進入蜂窩時代。3G時代，基站天線發(fā)展為多頻段天線，系統(tǒng)比較復雜，GSM、CDMA等共存，多頻段成為主流。4G時代，基站天線為MIMO天線系統(tǒng)，通信容量增加，出現(xiàn)陣列天線和多天線。對于5G時代，目前需要重點研究的是基站天線以什么形式存在。

針對未來基站天線的發(fā)展趨勢，有兩個方向的分析。首先，天線系統(tǒng)將從無源向有源發(fā)展，基站天線會朝著定制化和智能化方向發(fā)展，為用戶提供更安全和高效的網(wǎng)絡服務。其次，天線設計將從簡單向復雜發(fā)展。5G時代，基站天線系統(tǒng)將從簡單的MIMO向復雜的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)發(fā)展，由簡單且固定的波束發(fā)展為多波束。與此同時，5G移動通信也將面臨兼容共存的新問題，因為5G移動通信技術兼容了以往移動通信技術的優(yōu)勢，基站天線設計也是在原有基站天線的基礎上進行的。因此，多個頻段的天線陣列處于同一空間范圍是有限的，必然會出現(xiàn)各頻段的電磁干擾問題。

通過進一步分析，可以確定5G基站天線將面臨耦合干擾的問題，具體表現(xiàn)在同頻天線單元與異頻天線單元之間。只有成功解決這兩個問題，才能真正實現(xiàn)5G的速度。

二、5G基站天線面臨的EMC問題與挑戰(zhàn)

（一）同頻天線單元之間的耦合干擾

從上文分析中可以了解到，進入5G移動通信時代后，基站天線系統(tǒng)從簡單的MIMO向著復雜的、大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)發(fā)展，由簡單且固定的波束發(fā)展為多波束。這樣的變化與發(fā)展不僅可以實現(xiàn)通信容量的顯著提高，同時也能確保通信信號的有效覆蓋。從大體上看，陣列單元之間是相互協(xié)調(diào)存在的。然而，從細節(jié)上來看，可以發(fā)現(xiàn)當陣列單元之間的間距較小時，相鄰的陣列單元之間會形成同頻耦合干擾，這時的干擾強度較大，容易發(fā)生各種問題。例如，天線陣列的失配問題。天線陣列也被稱為相控陣列，由兩個或更多個基本天線組合而成。組內(nèi)天線之間的信號相互組合，可以實現(xiàn)分集接收信號以抵消干擾，從而獲得更高的性能。但是，如果天線陣列存在失配問題，組內(nèi)天線之間的信號干擾噪聲比會增加，影響信號的穩(wěn)定性和清晰度。例如，單元間隔離度可能惡化。通常情況下，同頻段的天線處于同一空間范圍內(nèi)，線與線之間有一定的間距。但是，如果陣列單元之間出現(xiàn)同頻耦合干擾，單元的隔離度也會惡化，導致信號傳遞質(zhì)量發(fā)生變化。

例如，方向圖畸變、陣列的波束掃描能力降低等問題也會頻繁出現(xiàn)。在研究同頻天線單元之間的耦合干擾的解決方案時，常用的去耦方案有兩種，第一種是在同頻單元之間增加金屬隔板，利用金屬隔板的隔離作用降低同頻天線單元之間存在的耦合干擾；第二種是在同頻單元之間引入電磁帶隙，利用電磁帶隙特點和技術中和耦合干擾。以上兩種去耦方案的基本原理是相同的，其目的都是使用中和線技術，人為地增加新的耦合路徑，從而利用新耦合路徑上形成的信號將原來存在的耦合信號抵消掉。

（二）異頻天線單元之間的耦合干擾

從5G基站天線相關分析中可以得知，5G移動通信是在4G移動通信網(wǎng)絡基礎上搭建的，而4G、3G、2G等頻段是在同一有限的空間中共存的，形成了多頻段、多陣列的基站天線形式。在分析基站天線內(nèi)的各個子陣時，會發(fā)現(xiàn)各個子陣的頻段和尺寸存在較大差異，即沒有完全相同的。這意味著子陣之間存在耦合干擾問題。如果不能有效解決這個問題，會導致各個子陣之間的隔離度下降，使得基站天線陣列的輻射方向圖出現(xiàn)畸變問題，進而直接影響5G的實現(xiàn)速度和通信質(zhì)量，對通信信號的覆蓋和質(zhì)量造成嚴重影響。在研究異頻天線單元之間的耦合干擾的解決方案時，常用的異頻去耦技術是濾波技術。

在過去，濾波技術應用下的濾波天線雖然可以改善天線單元間的隔離度，但存在新的問題沒有解決，其中最為關鍵的問題是保形問題。天線輻射方向雖然可以保持不變，但對于天線輻射的方向圖一直保持原定不變的目的難以保障。具體分析影響天線輻射方向圖向著畸形方向發(fā)展的影響因素及原因，可以進一步發(fā)現(xiàn)耦合干擾問題的蹤跡，低頻天線上有高頻電流，相互干擾。在以往使用的濾波天線技術中，僅能切斷一個端口通路，不能切斷兩個端口通路?？汕袛嗟亩丝谕肥窍蛑皖l天線傳遞的感應電流，而向著高頻天線傳遞的感應電流是無法切斷的，此時，電流會發(fā)生二次輻射情況，這次的電流輻射也就會使高頻天線輻射方向圖發(fā)生變形問題。濾波天線的工作原理是在天線前端增加濾波器，將不可用、不需要的信號頻率排除掉，最后只留下可用的、需要的信號頻段，此種方法可以有效避免干擾及噪聲情況發(fā)生。

濾波天線是一種多功能天線，其將濾波器的功能集合在一處，無論是在接收信號，還是在發(fā)射信號時，都會同步進行信號的濾波處理，只留下特定頻率范圍內(nèi)的信號。濾波天線在無線通信系統(tǒng)中起到的作用主要為信號的選擇以及信號的抑制干擾作用，可以在最大程度上將系統(tǒng)的整體性能以及可靠性提高。

三、5G基站天線的EMC對策

（一）同頻耦合干擾的對策

在5G基站天線的電磁兼容問題中，同頻天線單元之間的耦合干擾問題若想有效解決，必須從耦合干擾問題的成因入手。在過去，針對同頻耦合干擾采取的解決對策是中和線去耦方案，此方案主要是利用中和信號干擾的原理將耦合干擾信號有效抵消，從理想意義上來看，此同頻耦合干擾的解決方案是有較多可取之處的，但還是存在一些問題難以攻克，從而也大大降低了同頻耦合信號干擾效果。在此研究基礎上，創(chuàng)新研發(fā)出ADS去耦表面技術，此技術的提出為同頻耦合干擾信號的消除對策研究提供新方向，其中同頻天線單元之間的耦合干擾度明顯下降是最為突出的優(yōu)勢，可以將以往中和線去耦技術中難以攻克的問題有效解決。此技術的去耦帶寬可以覆蓋5G通信網(wǎng)絡的C波段。

從圖1中表現(xiàn)出的信息中可以知道，去耦結(jié)構(gòu)的尺寸、高度及形狀會因去耦表面的耦合信號的存在實現(xiàn)實時調(diào)整，從而保障發(fā)出的信號與達到的信號步調(diào)一致，此時因為相位相反原理，可以實現(xiàn)相鄰的兩個天線單元之間形成耦合抑制形態(tài)，實現(xiàn)正負抵消目的，消除耦合干擾。繼續(xù)以圖2中的圖像信息展開分析同頻耦合干擾的解決對策，此圖中展示的是天線端口隔離度的仿真與測試結(jié)果，從最終的測試結(jié)果中可以看出，若去耦表面可以有效加載，那么天線單元之間的隔離度會有明顯改善。

此外，在進一步研究中也發(fā)現(xiàn)，去耦表面的添加與應用，也在很大程度上將天線的輻射方向圖進行了改進與完善，這為更深層次研究同頻耦合干擾的解決對策提供了新思路與新方向。

（二）異頻耦合干擾的對策

在5G基站天線的電磁兼容問題中，若想有效解決異頻耦合干擾，需要對現(xiàn)有的濾波天線技術原理及特點進行深入分析，了解濾波天線技術是一種多功能天線，其起到的主要作用是將不需要的、存在干擾性質(zhì)的信號進行有效隔離和處理，從而確?？捎玫念l率信號留下。由此思路進行異頻耦合干擾對策的進一步分析，繼續(xù)以濾波天線技術為研究方向，多個研究團隊就新型濾波天線技術的創(chuàng)新應用進行技術性研發(fā)，創(chuàng)新研究的濾波天線具有交叉頻帶散射抑制特性，是一種多頻陣列天線。

此濾波天線技術的研究原理如下：因在同一個單元內(nèi)存在低頻和高頻天線，前者會對后者產(chǎn)生散射干擾，為了抑制這種干擾，必須先將低頻信號進行合理處理，采取的方式是分段處理方式，此處理方式可以將散射截面減少，但還需在處理過程中加入金屬U型楔子，以便于更好地改善阻抗效果，達到帶阻濾波目的。在技術研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，若在單元中增加已經(jīng)去耦的低頻天線，那么高頻天線中子陣的輻射方向圖會與其獨立時保持一致，整體方向圖不變，保持自有形態(tài)。

由以上淺顯分析中可以確定，異頻耦合干擾問題的有效解決，需要從新型濾波技術的研發(fā)入手，于是隱身天線被有效研發(fā)，隱身天線可以達到的技術成果是極為突出的，是傳統(tǒng)濾波天線技術難以達到的濾波水平。具體分為以下兩種技術，第一種是分段處理技術，其目的是將基站天線的輻射體按照一定要求分段，這樣就可以有效減少天線的雷達散射截面，同時在分段中還可以以增加帶阻單元的方式來形成帶阻濾波。第二種是去耦處理技術，在天線的輻射體上添加去耦結(jié)構(gòu)，從而使輻射體上出現(xiàn)的感應電流為兩種，且兩個電流的方向是相反的，這樣可以達到輻射抵消目的。從隱身天線的設計原理及應用價值上進行分析，可以進一步確定是異頻耦合干擾的一個解決方向，可沿著此方向進一步探索研究，從而做出新的成果。

四、結(jié)束語

綜上分析可知，5G基站天線的研發(fā)將成為5G發(fā)展的一個瓶頸。只有突破這一瓶頸，才能更好地處理信號。天線不僅僅是一個輻射器，它還具備其他功能，需要進行深入分析。本文旨在研究5G基站天線面臨的電磁兼容問題以及解決對策。存在的問題主要是同頻天線單元之間的耦合干擾和異頻天線單元之間的耦合干擾。因此，在研究具體的解決對策時，需要進行相應問題的具體分析。目前，去耦技術仍處于繼續(xù)研究階段，尚難以有效解決現(xiàn)存的基站天線去耦問題，因此仍需繼續(xù)深入研究，尋找攻克之法。

作者單位：張躍偉 武漢虹信技術服務有限責任公司

參考文獻

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