5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構(gòu)探討

中國信科集團(tuán)武漢虹信公司

人類社會(huì)對(duì)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)木薮笮枨笸苿?dòng)著通信技術(shù)不斷向前發(fā)展。每一次移動(dòng)通信的升級(jí)，幾乎都對(duì)應(yīng)著下行速率約10倍的提升。作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一的大規(guī)模天線技術(shù)，在基站端布置幾十甚至上百個(gè)天線規(guī)模的天線陣，通過波束成形（beam forming)技術(shù)，構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)客戶的不同波束，并有效減少各個(gè)波束之間的干擾，這種對(duì)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(luò)容量。中國信科早在2015年便開始5G大規(guī)模陣列天線的研究，目前已經(jīng)在2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等頻段布局了系列產(chǎn)品。

5G大規(guī)模天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構(gòu)包括密集輻射陣、功分網(wǎng)絡(luò)、耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、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。為降低密集組陣的互耦影響，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(shè)計(jì)了去耦裝置。功分網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)單元模塊包含的一組若干輻射單元進(jìn)行激勵(lì)和幅相配置，每組功分網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)的輻射單元個(gè)數(shù)、輻射單元間距決定了單元模塊增益。耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)由多路耦合度一致的定向耦合器多級(jí)功分合路構(gòu)成，每一組定向耦合器對(duì)應(yīng)一組射頻通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)該射頻通道幅相信息的精確檢測(cè)。耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的作用就是對(duì)收發(fā)單元發(fā)送到每個(gè)射頻通道的信號(hào)源幅相信息進(jìn)行監(jiān)控，如某個(gè)通道的幅相檢測(cè)值偏離了預(yù)設(shè)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。5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G大規(guī)模天線系統(tǒng)架構(gòu)圖

密集輻射陣及其去耦裝置

密集輻射陣由N×M個(gè)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(shè)計(jì)需要考慮下面幾個(gè)因素。

● 輻射單元的結(jié)構(gòu)形式：輻射單元需要小型化設(shè)計(jì)并適合密集組陣列；輻射單元的饋電和安裝結(jié)構(gòu)需要與功分網(wǎng)絡(luò)充分匹配，利于安裝；從減低天線整機(jī)重量的目的出發(fā)，輻射單元需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)；從提高天線生產(chǎn)效率考慮，輻射單元最好能實(shí)現(xiàn)輻射體和饋電片的一體化設(shè)計(jì)。

● 輻射單元組陣方式：5G大規(guī)模天線要實(shí)現(xiàn)-60°到+60°的業(yè)務(wù)波束掃描，其橫向單元間距要＜0.55λ，否則會(huì)出現(xiàn)掃描角度不夠以及在±60度及附近大角度掃描時(shí)，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(gè)數(shù)和縱向間距由大規(guī)模天線系統(tǒng)要求的增益決定。考慮到垂直賦型和單元模塊的輻射單元個(gè)數(shù)組成，一般5G大規(guī)模天線的縱向間距＜0.8λ。圖2展示了由96個(gè)LCP雙極化微帶輻射振子組成的密集陣列。

● 去耦設(shè)計(jì)：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(duì)密集陣列進(jìn)行去耦設(shè)計(jì)，如圖2所示的96單元密集陣列中各列輻射單元之間就設(shè)置了去耦裝置。

圖2 96單元密集陣列

圖3 耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)原理圖

功分網(wǎng)絡(luò)及其射頻通道

5G天線系統(tǒng)整機(jī)增益的要求決定了整個(gè)密集陣列的單元個(gè)數(shù)，而射頻通道數(shù)量決定了單元模塊的輻射單元個(gè)數(shù)，功分網(wǎng)絡(luò)則將單元模塊的多個(gè)輻射單元進(jìn)行饋電激勵(lì)。功分網(wǎng)絡(luò)的幅相權(quán)值決定了單元模塊的預(yù)制傾角，單元模塊預(yù)制傾角決定了5G大規(guī)模天線在方向圖垂直掃描時(shí)在不同傾角時(shí)的增益表現(xiàn)。

耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)

耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的作用在于實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)射頻通道的輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)，耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)原理圖如圖3所示，一組1分2耦合校準(zhǔn)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)2個(gè)射頻通道的信號(hào)校準(zhǔn)。這樣，多個(gè)1分2耦合校準(zhǔn)模塊級(jí)聯(lián)成一個(gè)1分N的耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)N個(gè)射頻通道的校準(zhǔn)。

收發(fā)組件

不同于4G時(shí)代，天線+RRU（Base Band Unit）+BBU(Remote Radio Unit)構(gòu)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(gè)數(shù)字接口通過收發(fā)組件獨(dú)立控制每個(gè)射頻通道的信號(hào)輸入，通過耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)射頻通道的信號(hào)檢測(cè)和校準(zhǔn)以判斷信號(hào)強(qiáng)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(lì)到每個(gè)射頻通道的幅相權(quán)值配置，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線的精準(zhǔn)三維波束方向圖和三維掃描。

5G大規(guī)模天線的發(fā)展趨勢(shì)

上述介紹了5G大規(guī)模天線的系統(tǒng)組成，并對(duì)天線關(guān)鍵組成部分的設(shè)計(jì)提出解決思路。設(shè)備的小型化、集成化、高效性是永恒的主題，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)將在2020年迎來大規(guī)模應(yīng)用，5G大規(guī)模天線要想更好地服務(wù)系統(tǒng)需求，筆者認(rèn)為還需在以下方面做進(jìn)一步的努力和提升：更小的體積、更輕的質(zhì)量，降低天線AAU整機(jī)的部署難度和費(fèi)用；天線模塊化和集成化，提高可生產(chǎn)性，未來的天線模塊應(yīng)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；高效的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，提升多端口大規(guī)模天線的測(cè)試效率，解決產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能瓶頸。