高 峰，和 凱，宋智源，朱文濤，王麗芳,高 鵬

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京100080）

1 引言

移動(dòng)通信經(jīng)歷了從1G模擬技術(shù)到4G長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)的發(fā)展，已被世界上超過(guò)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(lái)，4G網(wǎng)絡(luò)能力快速形成。2014年，我國(guó)4G網(wǎng)絡(luò)基本完成了300多個(gè)城市的覆蓋，4G基站建設(shè)數(shù)量超過(guò)70萬(wàn)個(gè)，4G用戶數(shù)量快速增長(zhǎng)，截至2014年底，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司的4G用戶數(shù)量已經(jīng)超過(guò)8 000萬(wàn)戶，4G網(wǎng)絡(luò)部署相當(dāng)于3G網(wǎng)絡(luò)6年的規(guī)模，相當(dāng)于2G網(wǎng)絡(luò)20年的規(guī)模。2014年建設(shè)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(dòng)新業(yè)務(wù)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，至2020年，全球每年總移動(dòng)業(yè)務(wù)量將超過(guò)127 EB（1 EB=109GB），能夠支撐每秒百兆比特傳輸速率的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)很難滿足2020年之后移動(dòng)通信的應(yīng)用需求，LTE建設(shè)方興未艾，5G移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛地研究[2,3]。

3 GPP業(yè)務(wù)需求（SA1）工作組于2015年2月立項(xiàng)研究5G業(yè)務(wù)需求，無(wú)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(huì)，2016年3月開始5G的標(biāo)準(zhǔn)化工作；NGMN（Next Generation Mobile Networks，下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）已于2015年3月完成并發(fā)布5G白皮書，闡明運(yùn)營(yíng)商的5G需求，后續(xù)將細(xì)化需求與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；2015年6月ITU-R將發(fā)布愿景建議書，是定義5G愿景和關(guān)鍵能力的官方文件，也是5G研究的基礎(chǔ)性文檔。國(guó)內(nèi)的IMT（International Mobile Telecommunication，國(guó)際移動(dòng)通信）-2020（5G）推進(jìn)組已發(fā)布5G需求白皮書和概念白皮書，計(jì)劃于2015年5月底發(fā)布技術(shù)白皮書。圖1為ITU定義的移動(dòng)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(luò)架構(gòu)、全雙工、低時(shí)延高可靠通信、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)。其中大規(guī)模天線技術(shù)、基于有源天線和3D-MIMO技術(shù)，能夠大幅度提升無(wú)線通信頻譜效率和功率效率，是支撐5G移動(dòng)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(shí)頻資源上，采用大規(guī)模陣列天線配置所提供的空間復(fù)用方式，提升頻譜資源的復(fù)用能力和各用戶的頻譜效率，同時(shí)利用多MIMO天線的多天線分集和波束成形技術(shù)，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(gè)單元組成的陣列天線沿z軸均勻排列。根據(jù)電場(chǎng)的疊加原理，陣列天線在遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)可表示為：

在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，有如下近似：

遠(yuǎn)場(chǎng)條件下各陣元之間的相位差如圖3所示。

在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，各個(gè)陣元在考察點(diǎn)P處的輻射場(chǎng)強(qiáng)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(shè)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(yuǎn)場(chǎng)垂直面(φ=0)方向圖可表示為：

圖3 遠(yuǎn)場(chǎng)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(quán)值矢量決定，而且受到各個(gè)陣元上感應(yīng)信號(hào)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(duì)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(shè)各陣元上的感應(yīng)信號(hào)分量是平均值為0的平穩(wěn)過(guò)程，對(duì)于給定的權(quán)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(guò)計(jì)算P(θ,準(zhǔn),t)的條件數(shù)學(xué)期望得到：

其中，E[]表示數(shù)學(xué)期望運(yùn)算，R為有源陣列天線的相關(guān)系數(shù)矩陣，表示為：

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

這里假設(shè)si(t)由M個(gè)元素組成：si,1,si,2,…,si,M，每個(gè)陣元的輸入信號(hào)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(quán)值有關(guān)，而且由陣元間的相關(guān)程度決定。接下來(lái)對(duì)模型中的主要參數(shù)分別做討論。

2.2.1 相關(guān)系數(shù)矩陣R

為了簡(jiǎn)化模型并充分考慮到相關(guān)系數(shù)矩陣R的作用，假設(shè)陣元間的相關(guān)系數(shù)均為ρ，則相關(guān)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(jiǎn)化為：

式（17）采用相對(duì)的權(quán)值矢量。

2.2.2 權(quán)值矢量W

為了簡(jiǎn)化模型，令各陣元的權(quán)值均相等，即：

權(quán)值矢量W中沒有考慮機(jī)械電傾角，因?yàn)闄C(jī)械電傾角是靠物理方式來(lái)控制的，它可以通過(guò)在優(yōu)化中修正傾角值來(lái)實(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提升功率效率、抑制無(wú)線通信系統(tǒng)中的干擾、提高無(wú)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(shí)現(xiàn)這些需求的關(guān)鍵技術(shù)。隨著天線陣列規(guī)模的擴(kuò)大，考慮到陣列天線體積、帶寬、增益、耦合等技術(shù)指標(biāo)的限制，對(duì)5G大規(guī)模陣列天線的研究提出了更高的挑戰(zhàn)。

強(qiáng)耦合效應(yīng)的陣列天線是一種利用天線單元之間的電磁耦合來(lái)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(dá)到超過(guò)1∶5的頻比，可以實(shí)現(xiàn)一定的波束掃描，是實(shí)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(shè)計(jì)方法

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

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(zhǎng)。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(dāng)采用微帶線、同軸線等不平衡的饋線進(jìn)行饋電時(shí)，需要通過(guò)具有寬頻帶、低損耗性能的巴倫進(jìn)行平衡至不平衡的轉(zhuǎn)換。

陣列進(jìn)行波束掃描的時(shí)候，相鄰單元之間存在饋電相差。這種相差會(huì)引起有源駐波的強(qiáng)烈變化，降低工作帶寬。有學(xué)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(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)組成。

3.2 緊耦合陣列天線的仿真設(shè)計(jì)

3.2.1 子單元的設(shè)計(jì)

緊耦合陣列天線的子單元結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)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。通常基于緊耦合效應(yīng)的偶極子單元尺寸小于陣列波長(zhǎng)的1/4，因此采用子陣列的設(shè)計(jì)方案，即將陣列分解為如圖5（b）所示的形式，其中每一個(gè)單元為一個(gè)子陣，該子陣可由1～4個(gè)子單元構(gòu)成，如圖5（c）所示。

根據(jù)子單元的結(jié)構(gòu)尺寸，圖4（b）中每個(gè)子陣列的大小為8.13 mm×16.26 mm。本文中，一個(gè)子陣列由3個(gè)子單元構(gòu)成，子單元的尺寸為5.42 mm×8.13 mm?？紤]到端口阻抗匹配，每個(gè)子單元的輸入阻抗設(shè)計(jì)為150Ω，通過(guò)將3個(gè)相鄰子單元并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)150Ω到50Ω的阻抗變換，具體陣列結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 陣列布陣結(jié)構(gòu)

圖6 子單元陣列組陣示意

3.2.3 子陣列結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的子陣列將3個(gè)首尾相互強(qiáng)耦合的短偶極子進(jìn)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(duì)子陣列進(jìn)行了建模分析，子陣模型及饋電模型如圖8所示。3個(gè)子單元的微帶饋線穿過(guò)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(gè)子單元饋電的相位一致，采用曲折線來(lái)補(bǔ)償微帶線長(zhǎng)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(shí)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(shè)計(jì)了一個(gè)5×5的25單元的陣列天線，仿真模型如圖9所示。設(shè)Nx=n代表沿x軸分布的第n個(gè)單元；Ny=n代表沿y軸分布的第n個(gè)單元。例如，第一排第3個(gè)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(jié)果

圖10為本文設(shè)計(jì)的緊耦合子陣列及子單元的有源駐波比仿真結(jié)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(shè)計(jì)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(gè)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(duì)帶寬可達(dá)到149.1%。

圖11 子單元及整體陣列有源駐波比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了5G移動(dòng)通信技術(shù)的背景、發(fā)展歷程以及大規(guī)模陣列天線對(duì)于5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要性；詳細(xì)闡述了二維、三維陣列天線的基本原理和相關(guān)理論；在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了緊耦合陣列天線，其具有體積小、帶寬大等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是5G大規(guī)模陣列天線研究的重要方向；詳細(xì)闡述了緊耦合陣列天線的構(gòu)成、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)出一種5×5的緊耦合陣列天線，該天線相對(duì)帶寬可達(dá)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