解决问题的途径 - 管理5G天线设计的功耗的方法与分析

解决这个问题的一个途径是搭建一个合适尺寸的面板来冷却电路，然后让电路驱动一个单独的、更小的天线阵列面板。对4×4单元阵列来说这是起作用的，但对于有数十甚至数百个天线的阵列来说这种做法就不实用了。

搭建一个稀疏天线阵列

一种解决方案是使用稀疏阵列架构，这种架构中的天线间距要比发射波长大得多，但天线阵列仍不应该产生不需要的旁瓣或紧邻发射波束的波瓣，以避免干扰。

单元间距等于或大于发射波长λ的天线阵列很容易产生不想要的波瓣—如果天线单元以不均匀的栅格布放。如果单元间隔是不均匀的，就像图4所示的150个单元组成的“向日葵阵列”那样，那么平均单元间距可以更大，本例是5λ，不会有波瓣的困绕[1]。

图4：非均匀天线阵列，以向日葵方式建模。(来源：AMPLEON)

为了设计向日葵阵列，天线单元沿费尔马螺旋曲线布放(见图5)，因此每一圈都会包含相同数量的面积。各个单元位于螺旋线上的角度χ的倍数点，χ等于4π/(3+√5)，即所谓的黄金角。

图5：费尔马螺旋线。(来源：AMPLEON)

向日葵阵列具有几乎均匀的功率密度，如果所有单元都被激励到相同电平，它可以简化冷却机制，并高效地使用总孔径。这种安排不会产生不想要的波瓣，它的波束角度也可以像密集阵列那样得到控制。这使得向日葵阵列成为稀疏阵列一个很好的候选品种，这是被动冷却5G毫米波天线面板所需要的阵列。 稀疏阵列的3dB波束宽度反比于孔径尺寸A，这意味着使用它们进行冷却更容易，也意味着接受更窄波束的设计折衷。使用针对范围为150米的接入点的合理假设，简单计算就可以表明，最大可实现的波束宽度可能是5到8度------很有效的一种笔形波束。

本文小结

在5G系统得到现场部署之前还面临许多研究挑战。对物理硬件来说最重要的挑战是降低功耗，并为阵列面板开发低成本的装配技术。

参考文献 [1]Maria Carolina Vigano, 适合多波束卫星应用的向日葵阵列天线, PhD Thesis TU Delft,2011, ISBN 987-94-6113-030-3