周龑

【摘 要】4G建設(shè)的深入發(fā)展以及未來(lái)5G建設(shè)的實(shí)際需要，使得天線小型化顯得越來(lái)越重要。對(duì)MIMO天線小型化的輻射單元小型化、饋電網(wǎng)絡(luò)小型化、陣列方案小型化進(jìn)行了研究，分析了一些具體的實(shí)現(xiàn)方法，最后總結(jié)了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】MIMO天線；分頻饋電；有源天線；輻射單元效率

1 引言

隨著4G的深入發(fā)展以及5G時(shí)代的到來(lái)，運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)的系統(tǒng)數(shù)量越來(lái)越多，天面資源緊張成為一個(gè)突出的問(wèn)題，必須要縮小天面占用的體積，而縮小天面體積的重要方向是天線的小型化。

本文首先分析了天面小型化的必要性，因?yàn)樘烀尜Y源的緊張要求天線必須實(shí)現(xiàn)小型化；其次對(duì)天線小型化的具體措施進(jìn)行了研究，主要研究了輻射單元小型化、饋電網(wǎng)絡(luò)小型化、陣列方案小型化等幾個(gè)方面，也對(duì)幾種綜合的小型化技術(shù)進(jìn)行了研究；最后總結(jié)歸納了基站天線小型化的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 基站天線小型化的必要性

2.1 減少風(fēng)阻，降低建設(shè)成本

天線小型化以后，風(fēng)載面積降低。對(duì)制造商而言，減小尺寸和重量，可以降低包裝成本，節(jié)約運(yùn)輸成本；對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言，可以降低對(duì)基站鐵塔的強(qiáng)度要求，進(jìn)而使建設(shè)支出減少。

2.2 節(jié)約天面資源

4G網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)存的2G、3G網(wǎng)絡(luò)，幾乎所有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商都面臨著同時(shí)運(yùn)營(yíng)多個(gè)不同頻段網(wǎng)絡(luò)的情況，這不可避免地出現(xiàn)需要使用多副天線的場(chǎng)景。小型化的基站天線在布置空間、風(fēng)載等方面均具有巨大的優(yōu)勢(shì)，可以有效地節(jié)約目前日趨緊張的天面資源。

2.3 實(shí)現(xiàn)微基站的靈活布置

隨著數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)需求增加，基站數(shù)量也不可避免地增加，許多場(chǎng)景需要使用微基站進(jìn)行流量分流，這種場(chǎng)景下，小型化基站可以有效地加快部署速度。

2.4 進(jìn)行天線美化

天線小型化以后可以有效地降低美化難度，美化的形式可以更加多樣化，有效地降低了運(yùn)營(yíng)商建站物業(yè)協(xié)調(diào)的難度，加快了4G建設(shè)的速度。

3 基站天線小型化的實(shí)現(xiàn)方式

基站天線小型化的方向主要有輻射單元小型化、饋電網(wǎng)絡(luò)小型化、陣列方案小型化等幾個(gè)方面。不同的實(shí)現(xiàn)方式都是在一定的限制條件下，多種小型化解決方案的結(jié)合。

3.1 輻射單元小型化設(shè)計(jì)

一般輻射單元設(shè)計(jì)采用四分之一波長(zhǎng)的巴倫高度，通過(guò)優(yōu)化輻射單元及對(duì)應(yīng)的輻射邊界，可以降低輻射單元高度，可從λ/4下降到λ/8。主要采用振子片連接技術(shù)及饋電自消技術(shù)，這樣可以克服以前必須要求饋電座高度四分之一波長(zhǎng)的限制，從而實(shí)現(xiàn)八分之一甚至更矮的饋電高度情況下對(duì)稱振子的輻射特性。這種僅適合帶寬較窄的PCB輻射單元。輻射單元尺寸直接決定于單元的電長(zhǎng)度，而不同介質(zhì)對(duì)于特定頻率的電磁響應(yīng)是不同的，采用介質(zhì)的介電常數(shù)越高，固定電長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的物理尺寸就越小，對(duì)于基站天線批量使用的壓鑄陣子而言，巴倫高度僅縮小約25%。圖1左側(cè)為優(yōu)化前的輻射單元，圖1右側(cè)為優(yōu)化后的小型化輻射單元，巴倫高度和輻射面尺寸有明顯縮小。表1為優(yōu)化前后單個(gè)輻射單元方向圖仿真結(jié)果對(duì)比，可以看出方向圖指標(biāo)相當(dāng)。對(duì)應(yīng)的陣列天線整機(jī)由截面尺寸（寬和高）320 mm×110 mm縮小為250 mm×60 mm，迎風(fēng)面積同比縮小45%，基站天線端面優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖2所示。

3.2 饋電網(wǎng)絡(luò)小型化設(shè)計(jì)

對(duì)于應(yīng)用廣泛的電調(diào)基站天線而言，關(guān)鍵的電調(diào)下傾角模塊是移相器。傳統(tǒng)移相器的原理之一是改變移相單元的物理長(zhǎng)度，即ΔL，這種形式的移相器的尺寸和移相量成線性比例關(guān)系，主要形式是腔體移相器、PCB移相器及部分空氣帶狀線移相器。傳統(tǒng)移相器一般使用改變物理長(zhǎng)度的方法實(shí)現(xiàn)移向，穩(wěn)定而線性改變材料介電常數(shù)非常困難，而新型移相器由于采用了新型的介質(zhì)材料，材料介電性能積極穩(wěn)定，可采用改變物理長(zhǎng)度和介電常數(shù)εe兩種方案同時(shí)進(jìn)行移相，其主要實(shí)現(xiàn)形式是介質(zhì)移相器。根據(jù)公式（1），在天線下傾角一定，即需要的相位差Δφ確定的條件下，若采用高介電常數(shù)介質(zhì)εe，就可以實(shí)現(xiàn)ΔL減小，即可實(shí)現(xiàn)移相器體積的小型化，這樣可以在一定程度上降低天線的厚度。其中Δφ是天線下傾所需要的移相量，φA表示移相器在狀態(tài)A處的絕對(duì)相位，φB表示在狀態(tài)B處的絕對(duì)相位，εe1、εe2分別對(duì)應(yīng)于不同狀態(tài)處的介電常數(shù)，ΔL是物理距離的變化量。圖3是新型移相器的仿真模型圖，采用帶狀線實(shí)現(xiàn)，綠色部分表示高介電常數(shù)的介質(zhì)板，紅色部分表示帶狀線電路，移動(dòng)板材可以實(shí)現(xiàn)改變相位的功能。

（1）

3.3 陣列方案小型化設(shè)計(jì)

共軸嵌套技術(shù)是陣列方案小型化的典型設(shè)計(jì)形式之一。共軸嵌套技術(shù)是天線輻射單元共軸嵌套技術(shù)在多頻天線的設(shè)計(jì)中將不同頻段的輻射單元（通常是頻率較低的CDMA800或GSM900與頻率較高的WCDMA2000或LTE）進(jìn)行重疊布置，如圖4所示，黃色的輻射單元頻率較高，紅色的輻射單元頻率較低。與圖5所示并排布置輻射單元的天線陣列常規(guī)方案相比，該方案顯著提高了多頻天線內(nèi)部空間的利用率，使天線的寬度壓縮30%以上。此外，天線輻射單元共軸嵌套的多頻天線還具有水平波寬偏移小，方向圖畸變小等優(yōu)點(diǎn)，且可以節(jié)約反射板等物料成本。但與并排布置方案相比，其設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)難度更高，而且需要實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的小型化，這對(duì)廠家的技術(shù)能力提出了更高的要求。而圖6是采用了共軸嵌套技術(shù)開(kāi)發(fā)的四頻八端口基站天線的實(shí)物圖，顯然尺寸更小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜度更高。

3.4 多種小型化綜合技術(shù)

輻射單元復(fù)用技術(shù)是多種小型化技術(shù)的一個(gè)綜合技術(shù)。共輻射單元分頻饋電技術(shù)是通過(guò)合路單元將頻譜有間隔的子頻段的兩個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行合路復(fù)用到同一個(gè)輻射單元，在一個(gè)寬頻帶天線中實(shí)現(xiàn)多個(gè)窄頻段天線的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線的小型化。實(shí)現(xiàn)的前提是輻射單元可支持寬頻帶輻射特性，且饋電網(wǎng)絡(luò)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也必須實(shí)現(xiàn)小型化。如圖7所示，分別在1 710 MHz—1 920 MHz和2 575 MHz—2 635 MHz的兩個(gè)子頻段設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)及移相器，利用合路器分別將工作在這兩個(gè)子頻段的饋電網(wǎng)絡(luò)合路輸出到工作在1 710 MHz—2 700 MHz頻段的寬頻輻射單元，在單頻兩端口雙極化天線的物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了FA頻段和D頻段的雙頻四端口天線的功能，并可以實(shí)現(xiàn)FA頻段和D頻段獨(dú)立下傾角調(diào)節(jié)，將四端口電調(diào)天線的寬度縮窄了約50%，實(shí)際研發(fā)的產(chǎn)品如圖8所示，輻射單元只有一列，采用PCB合路單元進(jìn)行插接饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)中有兩路不同頻段的移相器，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的移相器實(shí)現(xiàn)不同頻段下傾角的獨(dú)立調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了雙頻四端口的覆蓋效果，減少了輻射單元的數(shù)量，從而縮窄了整機(jī)寬度，減輕了整機(jī)重量。

3.5 提高輻射單元效率

以上四種技術(shù)方法具有一定的局限性，這是因?yàn)殛嚵刑炀€的陣元個(gè)數(shù)和陣元間距是決定方向圖特性的重要參數(shù)，因此以上幾種方法只可以有效地降低基站天線的寬度和厚度，但是對(duì)于降低天線長(zhǎng)度的作用并不大，而在大部分應(yīng)用場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者更為關(guān)注天線的長(zhǎng)度。

依據(jù)陣列天線的方向圖乘積定理，如公式（2），陣列的方向圖的F（θ， φ）指標(biāo)取決于單個(gè)輻射單元方向圖F0（θ， φ）和陣因子F1（θ， φ）。而要改變陣列天線的長(zhǎng)度，只有改變單元的方向圖F0（θ， φ）和陣列因子F1（θ， φ）。而陣因子F1（θ， φ）是與陣元數(shù)量和間距有關(guān)系的，只能通過(guò)增加天線陣元的個(gè)數(shù)以提高天線的方向性，進(jìn)而提高天線增益，即相同頻段相同波束寬度的條件下，天線增益越高，需要的天線長(zhǎng)度越長(zhǎng)。因此，若要改變天線的長(zhǎng)度，主要依賴改變單元本身的輻射特性F0（θ， φ）。

F（θ， φ） = F0（θ， φ） ×F1（θ， φ） （2）

目前可采用增加輻射單元等效口徑、增加輻射單元增益的方式來(lái)改變輻射單元的方向圖F0（θ， φ），可以保證在F（θ， φ）不變的情況下，改變陣因子F0（θ， φ），從而達(dá)到減小單元數(shù)量的目的，進(jìn)一步減小整機(jī)長(zhǎng)度。另外也可采用PCB輻射單元的多層微帶疊片的輻射基理，感應(yīng)電流寄生輻射，提高天線陣元的多頻輻射效率，從而提升單個(gè)輻射單元不同頻率的增益，進(jìn)而有效地減少陣元數(shù)量，達(dá)到縮短基站天線長(zhǎng)度的目的。

3.6 有源一體化天線

有源天線可以將RRU和基站天線緊密集合在一起，合理利用天線內(nèi)部空閑空間安放RRU的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)天線和RRU的一體化，進(jìn)一步壓縮天饋系統(tǒng)占用的總空間，同時(shí)降低連接損耗，減少功率損失，彌補(bǔ)部分小型化導(dǎo)致的增益下降。5G系統(tǒng)由于波束賦型的需要天線陣子可能直接連接后端射頻鏈路，減少了饋線和連接器等占用的面積，天線體積減少1/3以上。

隨著Massive MIMO技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)Massive MIMO技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用，天線小型化有利于陣列天線的安裝部署。頻段升高，基站數(shù)量增加也必將加強(qiáng)有源一體化天線的普及趨勢(shì)，一體化基站子系統(tǒng)將會(huì)被廣泛地應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)輻射單元小型化、饋電網(wǎng)絡(luò)小型化、陣列方案小型化等幾個(gè)方面的小型化做了一定的研究?，F(xiàn)階段輻射單元小型化、饋電網(wǎng)絡(luò)小型化、陣列方案小型化在目前的多制式頻段天線中應(yīng)用很多，也是目前實(shí)現(xiàn)天線小型化的主要技術(shù)。隨著未來(lái)5G天線的發(fā)展，大規(guī)模陣列天線的應(yīng)用，天線將更加復(fù)雜，未來(lái)輻射單元小型化和陣列組合小型化會(huì)成為更受關(guān)注的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳堅(jiān)林. 新一代無(wú)線移動(dòng)通信中的全向天線與MIMO多天線技術(shù)研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2016.

[2] 許森，張光輝，曹磊. 大規(guī)模多天線系統(tǒng)的技術(shù)展望[J]. 電信技術(shù)， 2013（12）： 25-28.

[3] 尤肖虎，潘志文，高西奇. 5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)， 2014，44（5）： 551-563.

[4] 魯照華，張曉丹，肖華華. 大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)技術(shù)探析[J]. 電視技術(shù)， 2014，38（5）： 132-135.

[5] 汪茅光，呂善偉. 陣列天線分析與綜合[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 1989.

[6] 汪茂穩(wěn)，周恒，郭寶平. 一種新穎的寬頻帶雙極化基站單元天線研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)， 2014，36（4）： 56-60.

[7] 馮彬，張欽欣. 小型化基站天線的發(fā)展與研究[J]. 電信技術(shù)， 2012（S2）： 67-69.

[8] 滕碧紅. 智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用[J]. 通信電源技術(shù)， 2012（2）： 61-62.

[9] 王建偉. 基站建設(shè)及基站天線的研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2010（11）： 189-192.

[10] 王永巍，姜興. 用于MIMO系統(tǒng)雙極化基站端多天線的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2010（10）： 95-98.