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      北斗+5G應(yīng)用場景下的天線技術(shù)研究

      2022-04-22 08:08:08劉志華
      電子測試 2022年6期
      關(guān)鍵詞:波束頻段北斗

      劉志華

      (廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司,廣東廣州,510000)

      0 引言

      北斗和5G是實(shí)現(xiàn)“國器自立,自主可控”的兩大核心領(lǐng)域,兩者有機(jī)融合將成為高精度、高可靠、高安全的新一代信息時(shí)空體系[1],導(dǎo)航和通信融合的理論邏輯在于衛(wèi)星系統(tǒng)可以為地面基站等提供授時(shí)、定位服務(wù)的時(shí)空基準(zhǔn),但由于大氣層折射和設(shè)備固有誤差等因素存在信號覆蓋不全和精度降低的問題,通過地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)解算分析,地基增強(qiáng)加速定位信息通過基站高速傳輸?shù)浇K端,定位精度可達(dá)厘米級;而原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能,而且覆蓋不到基站信號的偏遠(yuǎn)地區(qū)也能用上北斗短報(bào)文通信功能。北斗賦能5G,5G賦能北斗,兩者互為補(bǔ)充,特別是把終端和應(yīng)用融合起來,這樣在一個(gè)智能設(shè)備上就可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位和服務(wù)。

      1 應(yīng)用場景分析

      衛(wèi)星系統(tǒng)和地面網(wǎng)絡(luò)融合起來,構(gòu)成強(qiáng)大的天地一體化網(wǎng)絡(luò),加上人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合,必將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和智慧交通等應(yīng)用的爆發(fā)與發(fā)展[2]。

      隨著我國汽車保有量的日益增加,司機(jī)不文明駕車等人為原因?qū)е陆煌ㄊ鹿暑l頻發(fā)生,交通燈設(shè)置不合理等等都會(huì)造成城市交通擁堵,無人駕駛技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無人駕駛需要超高、超快的路況信息交流。北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)為無人駕駛提供非常精準(zhǔn)的定位和應(yīng)急通信以及高精度地圖;5G 的發(fā)展為無人駕駛汽車提供低延時(shí)高寬帶的信息交流[3]。當(dāng)有危險(xiǎn)發(fā)生或危險(xiǎn)已發(fā)生時(shí),汽車可以自動(dòng)給附近汽車發(fā)送信息,讓其他車輛及時(shí)做出緊急避險(xiǎn)反應(yīng),大大降低車輛事故發(fā)生的幾率,提供安全保障。整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)絡(luò),合理控制交通信號燈,改善上下班高峰擁堵。智慧交通構(gòu)建如圖1所示。

      車載終端通過通信單元實(shí)現(xiàn)與邊緣云互聯(lián),邊緣云與北斗系統(tǒng)差分基準(zhǔn)站和5G基站互通信息,通過云端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和宏觀控制,實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián),互聯(lián)互通。

      圖1 智慧交通構(gòu)建圖

      2 原理與設(shè)計(jì)

      智慧交通同大部分北斗+5G應(yīng)用場景一樣,由于北斗的信號強(qiáng)度弱,容易受到5G信號的強(qiáng)干擾,導(dǎo)致北斗系統(tǒng)功能癱瘓。目前,國內(nèi)已經(jīng)部署的5G基站超過100萬座,其中5G的2515~2675 MHz頻段與北斗信號S頻率2491.75±8.16MHz相鄰,隔離帶僅15MHz。工信部發(fā)布的最新規(guī)定,2515~2675MHz頻段5G信號在2483.5~2500MHz內(nèi)的帶外無用發(fā)射信號最大值為-43dBm/MHz[4],而北斗S信號的落地電平約為-127dBm,比5G信號泄漏的功率低近100dB,且二者頻率相隔較近,5G信號將對北斗定位業(yè)務(wù)造成干擾。

      2.1 多波束抗干擾原理分析

      空域?yàn)V波是在期望信號和干擾信號的到達(dá)方向上分別形成波束和零陷,以實(shí)現(xiàn)接收期望信號的同時(shí)抑制干擾。目前北斗領(lǐng)域多采用數(shù)字自適應(yīng)波束形成。

      數(shù)字多波束抗干擾技術(shù),在數(shù)字域通過調(diào)整各接收通道的加權(quán)值,使天線陣列主波束對準(zhǔn)衛(wèi)星信號來向。每個(gè)指向波束,采用空時(shí)抗干擾架構(gòu),在干擾來向產(chǎn)生零陷,從而達(dá)到既提升靈敏度,又有抗干擾的效果,該技術(shù)架構(gòu)圖如圖2所示。信號通過天線陣、射頻通道、A/D、DDC等模塊,分別進(jìn)行射頻信號接收、濾波、放大、變頻、數(shù)字采樣和變頻,得到數(shù)字基帶信號,數(shù)字基帶信號經(jīng)過信道均衡,消除各通道間的幅度誤差和相位誤差。天線姿態(tài)信息轉(zhuǎn)化為方向矢量,跟信道均衡后的信號進(jìn)行加權(quán),即可產(chǎn)生波束信號。對波束信號進(jìn)行抗干擾處理,即可實(shí)現(xiàn)波束指向抗干擾功能。

      圖2 多波束抗干擾原理圖

      數(shù)字多波束通過方向矢量加權(quán),將波束主瓣對準(zhǔn)衛(wèi)星方向,多個(gè)陣子衛(wèi)星能量的疊加,能有效提升衛(wèi)星信號功率,波束增益提高,通過波束指向帶來的靈敏度提升,等效于抗干擾的提升;數(shù)字多波束能通過多個(gè)陣子的相位加權(quán),對方向圖進(jìn)行補(bǔ)償,從而改善方向圖不圓度;采用提升的靈敏度來補(bǔ)償壓縮射頻帶來的損失,因此波束指向可采用更大的射頻動(dòng)態(tài),提升抗干擾性能。

      常規(guī)北斗S頻段天線增益為5.5dBi[5][6],利用7單元圓陣合成多波束,增益理論最大值能達(dá)到13.95dBi。

      2.2 多波束天線設(shè)計(jì)

      對均勻圓形陣列而言,不僅能夠在全方位提供角度估計(jì),且與矩形陣列相比,圓周的中心對稱性能夠保證對于任意方向角都能夠產(chǎn)生等寬度的波束和相等的波束增益,均勻圓陣的特殊對稱幾何結(jié)構(gòu)還克服了線陣中各天線陣元之間互耦效應(yīng)不平衡的缺陷。均勻圓陣已經(jīng)廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星定位天線布陣。常用7陣元陣列天線幾何結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,

      圖3 7陣元陣列天線布局圖

      中心陣元為北斗三號多頻天線疊層設(shè)計(jì),其中最上層為S中心陣元,圓周邊緣陣列分別為S頻段的1~6號抗干擾陣元。仿真結(jié)果如圖4所示。

      圖4 (a)為90°仰角增益,(b)為10°仰角增益

      匯總數(shù)據(jù)如下表1。

      表1 S頻段增益仿真結(jié)果

      由數(shù)據(jù)可知,7陣元陣列天線的增益較高,差值為8dB,不及預(yù)期增益理論最大值,主要原因在于天線陣元間產(chǎn)生的有害互耦,天線仿真結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

      3 實(shí)驗(yàn)

      通過軟件的優(yōu)化仿真得出天線的結(jié)構(gòu)參數(shù):圓形地板大小為φ140mm,高10mm;S陣元大小為20*20mm,高度為3mm,陣元間間距60mm。各個(gè)結(jié)構(gòu)件采用螺釘進(jìn)行緊固。

      由圖5可見,仰角90°和10°增益分別13.52dBi和5.08dBi。

      圖5 天線遠(yuǎn)場測試方向圖

      實(shí)驗(yàn)設(shè)置在正常開啟的5G基站旁邊,距離小于1米,由上表2可見,不同北斗用戶機(jī)采用單陣元天線,通信成功率只有65%左右,不滿足成功率大于95%的標(biāo)準(zhǔn),而采用7陣元多波束抗干擾天線的用戶機(jī),通信成功率大于95%,滿足通信要求。

      表2 北斗用戶機(jī)采用不同天線陣的通信成功率

      4 結(jié)論

      本文研究的陣列天線及其多波束抗干擾關(guān)鍵技術(shù),不僅擁有良好的全方位增益特性,而且實(shí)現(xiàn)了北斗用戶機(jī)有效對抗5G信號的干擾。這種研究對于北斗+5G大融合設(shè)備開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

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