5G大規(guī)模緊耦合陣列天線研究

高 峰，和 凱，宋智源，朱文濤，王麗芳,高 鵬

（中國移動通信集團設計院有限公司 北京100080）

1 引言

移動通信經(jīng)歷了從1G模擬技術到4G長期演進（LTE）技術的發(fā)展，已被世界上超過2/3的人使用，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠諿1]。自2013年12月4日工業(yè)和信息化部頒發(fā)4G牌照以來，4G網(wǎng)絡能力快速形成。2014年，我國4G網(wǎng)絡基本完成了300多個城市的覆蓋，4G基站建設數(shù)量超過70萬個，4G用戶數(shù)量快速增長，截至2014年底，中國移動通信集團公司的4G用戶數(shù)量已經(jīng)超過8 000萬戶，4G網(wǎng)絡部署相當于3G網(wǎng)絡6年的規(guī)模，相當于2G網(wǎng)絡20年的規(guī)模。2014年建設的基站數(shù)量，占全球4G基站數(shù)量的40%，占全球TDD 4G基站數(shù)量的80%。

隨著智能終端的普及和移動新業(yè)務需求的持續(xù)增長，至2020年，全球每年總移動業(yè)務量將超過127 EB（1 EB=109GB），能夠支撐每秒百兆比特傳輸速率的4G移動通信系統(tǒng)很難滿足2020年之后移動通信的應用需求，LTE建設方興未艾，5G移動通信技術已經(jīng)開始被廣泛地研究[2,3]。

3 GPP業(yè)務需求（SA1）工作組于2015年2月立項研究5G業(yè)務需求，無線接入網(wǎng)（RAN）工作組與SA1工作組將于2015年9月召開研討會，2016年3月開始5G的標準化工作；NGMN（Next Generation Mobile Networks，下一代移動網(wǎng)絡）已于2015年3月完成并發(fā)布5G白皮書，闡明運營商的5G需求，后續(xù)將細化需求與網(wǎng)絡架構；2015年6月ITU-R將發(fā)布愿景建議書，是定義5G愿景和關鍵能力的官方文件，也是5G研究的基礎性文檔。國內(nèi)的IMT（International Mobile Telecommunication，國際移動通信）-2020（5G）推進組已發(fā)布5G需求白皮書和概念白皮書，計劃于2015年5月底發(fā)布技術白皮書。圖1為ITU定義的移動寬帶的三大發(fā)展方向。

IMT-2020目前定義了大規(guī)模天線、新型多址、高頻段通信、超密集組網(wǎng)、新型網(wǎng)絡架構、全雙工、低時延高可靠通信、物聯(lián)網(wǎng)等新技術。其中大規(guī)模天線技術、基于有源天線和3D-MIMO技術，能夠大幅度提升無線通信頻譜效率和功率效率，是支撐5G移動通信最具潛力的研究方向。

2 天線陣列的研究

大規(guī)模MIMO天線的基本特征是：在同一時頻資源上，采用大規(guī)模陣列天線配置所提供的空間復用方式，提升頻譜資源的復用能力和各用戶的頻譜效率，同時利用多MIMO天線的多天線分集和波束成形技術，大幅度提升頻譜資源的整體利用率，提高傳輸速率。

2.1 傳統(tǒng)天線陣列

傳統(tǒng)天線陣列模型如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)天線陣列模型

由圖2可知，由n個單元組成的陣列天線沿z軸均勻排列。根據(jù)電場的疊加原理，陣列天線在遠區(qū)的輻射場可表示為：

在遠區(qū)場，有如下近似：

遠場條件下各陣元之間的相位差如圖3所示。

在遠場條件下，各個陣元在考察點P處的輻射場強方向均沿諄方向，那么，由于空間波程差引起的相位差可表示為：

假設該直線陣各陣元等間距分布，間距為d，并且各陣元的輻射方向圖相等，均為那么，該直線陣的遠場垂直面(φ=0)方向圖可表示為：

圖3 遠場條件下各陣元之間的相位差

2.2 三維大規(guī)模天線陣列

在三維大規(guī)模天線陣列中，天線的方向圖不僅由陣元的權值矢量決定，而且受到各個陣元上感應信號的影響，這與普通陣列天線有著極大的區(qū)別[6]。

這種情況下，陣因子由式（10）給出：

對于5G大規(guī)模陣列天線，幅度分布amn為可分離的，則陣因子為：

假設各陣元上的感應信號分量是平均值為0的平穩(wěn)過程，對于給定的權值矢量W，陣列天線的輻射方向圖即其平均輸出功率，可以通過計算P(θ,準,t)的條件數(shù)學期望得到：

其中，E[]表示數(shù)學期望運算，R為有源陣列天線的相關系數(shù)矩陣，表示為：

相關系數(shù)矩陣中的元素表示陣元間的相關性，例如Rij表示陣列中第i個陣元和第j個陣元間的相關性，即：

這里假設si(t)由M個元素組成：si,1,si,2,…,si,M，每個陣元的輸入信號都為1。

因此，大規(guī)模陣列天線三維模型可表示為：

很明顯，有源陣列天線的輻射方向圖不僅和各陣元的權值有關，而且由陣元間的相關程度決定。接下來對模型中的主要參數(shù)分別做討論。

2.2.1 相關系數(shù)矩陣R

為了簡化模型并充分考慮到相關系數(shù)矩陣R的作用，假設陣元間的相關系數(shù)均為ρ，則相關系數(shù)矩陣R可表示為：

眾所周知，R=ρ(U-I)+I=ρU+(1-ρ)I，其中，U為元素全為1的矩陣，I為單位矩陣，則有源陣列天線的方向圖模型可簡化為：

式（17）采用相對的權值矢量。

2.2.2 權值矢量W

為了簡化模型，令各陣元的權值均相等，即：

權值矢量W中沒有考慮機械電傾角，因為機械電傾角是靠物理方式來控制的，它可以通過在優(yōu)化中修正傾角值來實現(xiàn)。

2.2.3 單元天線的輻射方向圖PE(θ,)

本節(jié)中PE(諄,)以dB的形式表示，則有如下變換：

其中，GE,Max是輻射單元的最大增益，一般取GE,Max=8 dBi。AE,H()是輻射單元的水平面方向圖，可表示為：

其中，水平半波功率寬度3dB=65°，前后比Am=25 dB。AE,V(諄)是陣元的垂直面方向圖，可表示為：

3 5G大規(guī)模天線的研究

在5G移動通信系統(tǒng)中，為了進一步提升功率效率、抑制無線通信系統(tǒng)中的干擾、提高無線通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍、獲得更精確的波束成形能力，大規(guī)模陣列天線成為實現(xiàn)這些需求的關鍵技術。隨著天線陣列規(guī)模的擴大，考慮到陣列天線體積、帶寬、增益、耦合等技術指標的限制，對5G大規(guī)模陣列天線的研究提出了更高的挑戰(zhàn)。

強耦合效應的陣列天線是一種利用天線單元之間的電磁耦合來展寬天線工作帶寬的天線陣列。緊耦合陣列天線（tightly coupled phased array，TCPA）具有超寬帶的阻抗特性，往往能夠達到超過1∶5的頻比，可以實現(xiàn)一定的波束掃描，是實現(xiàn)5G大規(guī)模陣列天線的良好方式。

3.1 緊耦合陣列天線的設計方法

緊耦合天線的輻射部分為具有互相強烈耦合的短偶極子，相鄰振子通過電容進行耦合。單元之間的耦合，使得場可以在相鄰單元之間傳播從而增大工作帶寬，同時減小單元的諧振頻率。偶極子的長度通常為最大工作頻率的半波長。

緊耦合天線放置在一塊金屬背板上方，剖面小于最高工作頻率的半波長。金屬反射板能夠消除后瓣，使得緊耦合陣列天線單向輻射。

由于緊耦合天線的輻射單元為偶極子形式，因此，當采用微帶線、同軸線等不平衡的饋線進行饋電時，需要通過具有寬頻帶、低損耗性能的巴倫進行平衡至不平衡的轉(zhuǎn)換。

陣列進行波束掃描的時候，相鄰單元之間存在饋電相差。這種相差會引起有源駐波的強烈變化，降低工作帶寬。有學者提出，在陣列上方放置特定厚度的介質(zhì)板可以抵消波束掃描時的阻抗變化，從而增大帶寬。

綜上所述，緊耦合天線由短偶極子、金屬反射板、寬帶巴倫、寬角匹配層等幾個結構組成。

3.2 緊耦合陣列天線的仿真設計

3.2.1 子單元的設計

緊耦合陣列天線的子單元結構如圖4所示。子單元中的偶極子兩臂分別印制在介電常數(shù)為2.2、厚度為0.25 mm的Rogers 5880介質(zhì)板上。緊密排列的偶極子互相重疊。天線采用微帶線形式的不平衡饋電結構。饋電端口特性阻抗為150Ω。子單元的尺寸為：5.42 mm×8.13 mm×10.45 mm。

圖4 子單元示意

3.2.2 陣列天線布陣方式

設計的陣列天線為陣間距等于11.5 mm的矩形平面陣，極化方式為45°。陣列形式如圖5（a）所示。通?；诰o耦合效應的偶極子單元尺寸小于陣列波長的1/4，因此采用子陣列的設計方案，即將陣列分解為如圖5（b）所示的形式，其中每一個單元為一個子陣，該子陣可由1～4個子單元構成，如圖5（c）所示。

根據(jù)子單元的結構尺寸，圖4（b）中每個子陣列的大小為8.13 mm×16.26 mm。本文中，一個子陣列由3個子單元構成，子單元的尺寸為5.42 mm×8.13 mm。考慮到端口阻抗匹配，每個子單元的輸入阻抗設計為150Ω，通過將3個相鄰子單元并聯(lián)，實現(xiàn)150Ω到50Ω的阻抗變換，具體陣列結構如圖6所示。

圖5 陣列布陣結構

圖6 子單元陣列組陣示意

3.2.3 子陣列結構分析與設計

本文設計的子陣列將3個首尾相互強耦合的短偶極子進行組陣，如圖7所示。

圖7 子陣列的布陣方式

利用HFSS（high frequency structure simulator,高頻電磁仿真軟件）對子陣列進行了建模分析，子陣模型及饋電模型如圖8所示。3個子單元的微帶饋線穿過金屬反射板，與金屬反射板后方的微帶功分器相連。為了使3個子單元饋電的相位一致，采用曲折線來補償微帶線長度的差距。金屬反射板后方為Rogers 5880介質(zhì)，厚度為0.5 mm。由于子單元的輸入阻抗為150Ω，這里的微帶線寬度選擇為0.15 mm。將3根0.15 mm微帶線并聯(lián)到1.5 mm線寬的微帶線上，實現(xiàn)150Ω到50Ω的阻抗轉(zhuǎn)換。

3.2.4 5G大規(guī)模陣列天線仿真

圖8 子陣模型及饋電模型

圖9 5×5陣列天線仿真模型

設計了一個5×5的25單元的陣列天線，仿真模型如圖9所示。設Nx=n代表沿x軸分布的第n個單元；Ny=n代表沿y軸分布的第n個單元。例如，第一排第3個單元表示為Nx=3，Ny=1，其有源駐波表示為ActiveVSWR（31）。

4 5G大規(guī)模天線仿真結果

圖10為本文設計的緊耦合子陣列及子單元的有源駐波比仿真結果?？梢钥闯?，子單元和子陣列在2.58～17.1 GHz頻段滿足ActiveVSWR<3，具有良好的匹配特性。

圖10 子陣列及子單元的有源駐波比

圖11 給出了本文設計的5×5陣列天線的部分子單元的有源駐波比、有效駐波比（EffectiveVSWR）及整個陣列天線的等效有源駐波比。從圖11中可以看出，該陣列天線在2.8～19.2 GHz頻段滿足ActiveVSWR<3，其相對帶寬可達到149.1%。

圖11 子單元及整體陣列有源駐波比

5 結束語

本文介紹了5G移動通信技術的背景、發(fā)展歷程以及大規(guī)模陣列天線對于5G移動通信系統(tǒng)的重要性；詳細闡述了二維、三維陣列天線的基本原理和相關理論；在此基礎上，重點介紹了緊耦合陣列天線，其具有體積小、帶寬大等技術優(yōu)勢，是5G大規(guī)模陣列天線研究的重要方向；詳細闡述了緊耦合陣列天線的構成、設計方法和設計步驟，設計出一種5×5的緊耦合陣列天線，該天線相對帶寬可達到149.1%，在2.8～19.2 GHz頻段滿足ActiveVSWR<3。

1 Huawei.Presentation for MWC.Proceedings of Moible World Congress,2011

2 ITU Press Release.ITU World Radio Communication Seminar Highlights Future Communication Technologies,2010

3 ITU M.Traffic Forecasts and Estimated Spectrum Requirements for Satellite Component of IMT 2000 and Systems Beyond IMT-2000 for the Period 2010 to 2020,2006

4 Tzanidis I,Sertel K,Volakis J.Excitation and termination of finite tightlycoupledantennaarraysbasedonstructuralcharacteristicmodes.Proceedings of Antenna Applications Symp,Istanbul,Turkey,2011

5 Jones M,Rawnick J.A new approach to broadband array design using tightly coupled elements.Proceedings of IEEE Military Communications Conference,Orlando,FL,USA,2007

6 Tzanidis I,Sertel K,Volakis J.Characteristic excitation taper for ultra wideband tightly coupled antenna arrays.IEEE Transactions on Antennas & Prapagation,2012,60(4):1777～1784

7 Tzanidis I,Sertel K,Volakis J.UWB low-profile tightly coupled dipole array with integrated balun and edge terminations.IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2013,61(6):3017～3025