探析5G大规模阵列天线系统架构

本文针对第5代移动通信的关键技术之 一——大规模阵列天线，提出一种天线系统架构，包括密集辐射阵、功分网络、耦合校准网络、盲插型连接器和收发单元。并对5G大规模天线系统的每个组成部分进行详细介绍，对在技术开发过程中会遇到的技术难题提出解决措施建议,在此基础上，探讨后续5G大规模天线的发展趋势和优化方向。

人类社会对信息数据传输的巨大需求推动着通信技术的不断向前发展，每一次移动通信的升级，对应了下行速率约10倍的提升。作为5G关键技术之一的大规模天线技术，在基站端布置几十甚至上百个天线规模的天线阵，通过波束成形（beamforming)技术，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减少各个波束之间的干扰，这种对空间资源的充分挖掘，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源并且几十倍地提升网络容量[1-3]。目前，针对5G大规模天线的研究还未形成统一的行业标准或国家标准，处于定制化开发满足5G系统应用时期，产品形态和方案等各有不同。本文作者根据多年的研究成果，提出一种工作于Sub-6G的5G大规模天线的系统架构，并对其各系统组成部分进行介绍。

1、5G大规模天线系统结构

如图1所示，展示一种5G大规模天线系统架构，包括密集辐射阵、功分网络、耦合校准网络、盲插型连接器和收发单元。密集辐射阵由若干双极化辐射单元按照一定的横向间距和纵向间距组阵。为减低密集组阵的互藕影响，提升各射频通道的方向图一致性和端口隔离度，密集辐射阵中设计有去耦装置。功分网络将每个单元模块包含的一组若干辐射单元进行激励和幅相配置，每组功分网络激励的辐射单元个数、辐射单元间距决定了单元模块增益。

射频通道包括单元模块、功分网络和盲插型连接器。在射频通道数确定的情况下，单元模块的增益，单元模块之间的横、纵向间距决定了大规模天线整机的增益。耦合校准网络由多路耦合度一致的定向耦合器多级功分合路构成，每一组定向耦合器对应一组射频通道，实现对该射频通道的幅相信息进行精确检测。耦合校准的网络的作用就是对收发单元发送到每个射频通道的信号源幅相信息进行监控，如某个通道的幅相检测值偏离了预设值，则通过系统算法重新调整收发单元的发射功率和相位。

这样，整个5G天线系统的工作原理就是，天线射频通道（包括多个辐射单元组成的单元模块）实现无线传输信号的收发；收发单元实现对射频通道RF信号发射和接受；耦合校准网络实现对收发单元发射到每个射频通道的发射功率和相位的监测；这样，系统赋型算法通过调节收发单元激励到每个单元模块（射频通道）的幅相权值配置实现大规模天线的精准3维波束方向图和3维扫描。要实现上述5G大规模天线功能，需对其各结构组成部分的性能指标进行精确设计。

图1 5G大规模天线系统架构图

2、密集辐射阵及其去耦装置

密集辐射阵由N×M个辐射单元按照一定的横向间距dX和纵向间距dy组阵，中间辅以去耦装置，其设计需要考虑下面几个因素：

（1）辐射单元的结构形式；辐射单元的需要小型化设计，适合密集组阵列；辐射单元的馈电和安装结构需要与功分网络充分匹配，利用安装；从减低天线整机重量的目的出发，辐射单元需要进行轻量化设计；从提高天线生产效率考虑，辐射单元最好能实现辐射体和馈电片的一体化设计。如图2（a）所示为普通设计的铝合金半波振子，振子基材为铝合金压铸，辐射体和馈电片分离，辐射体和馈电片分别通过焊接固定在功分网络上。如图2（b）所示为改良设计的基于LCP(全称LIQUID CRYSTAL POLYMER，中文名称液晶聚合物）基材，采用3D-MID技术（全称Three –dimensional Molded Interconnect Device，中文名称三维模塑互连器件，简称共形电路），通过LDS（全称Laser Direct Structuring，中文名激光直接成型）工艺加工成型的微带辐射单元，他具有轻量化（重量只有铝合金振子的30%），辐射馈电一体化，全对称天然防呆、装配效率高等特点，非常适合大规模天线应用。

图2（a）铝合金半波振子

图2（b）LCP微带振子

（2）辐射单元组阵方式；5G大规模天线要实现-60°到+60°的业务波束扫描，其横向单元间距要＜0.55λ，否则会出现扫描角度不够以及在±60度及附近大角度扫描时，副瓣电平过高，甚至高于主瓣电平的情况。密集阵列的单元个数和纵向间距大规模天线系统要求的增益决定。考虑到垂直赋型和单元模块的辐射单元个数组成，一般5G大规模天线的纵向间距＜0.8λ。图3展示了由96个LCP双极化微带辐射振子组成的密集阵列。

图（3） 96单元密集阵列

（3）去耦设计；密集辐射阵由于单元数多，横向单元间距近（＜0.55λ），各单元模块之间的互耦非常大，造成各射频通道的方向图畸变，一致性差，隔离度恶化。因此，要对密集阵列进行去耦设计，如图（3）所示的96单元密集阵列中各列辐射单元之间就有设置去耦装置。图（4）展示了去耦设计前后通道方向图的前后变化。改进前阵元的水平半功率波束宽度跨度33.8-75°,且方向图曲线变形严重，改进后的阵元水平半功率波束宽度跨度85-96°，收敛性较好，方向图曲线变得平滑。

图4（a）去耦前方向图

图4（b）去耦后方向图

3、功分网络及其射频通道

5G天线系统整机增益的要求决定了整个密集阵列的的单元个数，而射频通道数量决定了单元模块的辐射单元个数，功分网络则将单元模块的多个辐射单元进行馈电激励。功分网络的幅相权值决定了单元模块的预制倾角，单元模块预制倾角决定了5G大规模天线在方向图垂直扫描时在不同倾角时的增益表现，下表1分析了在单元模块预制为0/3/6等三种倾角时，以96单元阵列为例，整机天线在不同垂直倾角时的增益表现。从表格里面可以看出，在大下倾扫描时，单元模块预制6度下倾的增益优势非常明显。考虑5G基站密度增加，单个基站覆盖范围减少，天线挂高等因素，其工作状态更多处于下倾角较大的情况，因此对5G大规模天线的单元模块设置一定的预制倾角有利于其实际应用。

表1单元模块预制不同倾角时整机垂直扫描不同倾角时的增益表现

5G大规模天线的辐射单元，需电连接在功分网络电路上，一般将功分网络设计为双面微带PCB结构或四层板带状线结构，图5展示了单元模块固定在双面微带功分板PCB上的情况。

图（5）功分网络示意图

4、耦合校准网络

耦合校准网络的作用在于实现对每个射频通道的输入信号进行检测和校准，如图（6）所示的耦合校准网络校准原理图，一组1分2耦合校准模块，能够实现对2个射频通道的信号校准。这样，多个1分2耦合校准模块级联成一个1分N的耦合校准网络，实现对N个射频通道的校准。

图（6）耦合校准网络校准原理图

耦合校准网络要实现对收发组件输入到射频通道的信号检测和校准，首先其自身的幅相一致性要平稳，这对耦合校准网络的设计和加工提出了非常高的要求，耦合校准网络幅相一致性问题也是5G大规模天线要解决的核心技术难题。首先，其校准电路要求设计为多层板结构的带状线传输线结构，避免外来信号对校准电路自身信号的干扰；其次，校准电路本身同级电路和上下级电路之间也要做好信号屏蔽；最后，耦合校准网络的PCB加工质量，包括压板精度，线宽线隙，蚀刻因子等做好控制；只有做到以上几点，才能保证校准网络自身幅相的一致性，才能有效检测收发组件的输入信号信息。

5、盲插型连接器

盲插型连接器分别电连接在天线射频通道的输入端和收发组件的输出端口，结构上要做精确的设计定位，实现天线输入端和收发组件信号输出端口的盲插连接。盲插型连接器的种类和形式较多，可以自由选型，目的都在于实现天线射频通道和收发组件的便捷连接。

6、收发组件

不同于4G时代，天线+RRU（Base Band Unit）+BBU(Remote Radio Unit)构成分布式基站，5G大规模天线将天线变成了一体化有源天线AAU（Active Antenna Unit），AAU集成了天线与RRU的功能，每个数字接口通过收发组件独立控制每个射频通道的信号输入，通过耦合校准网络的对每个射频通道的信号检测和校准来判断信号强度和相位信息，最后通过系统数字赋型算法调节收发单元激励到每个射频通道的幅相权值配置实现大规模天线的精准3维波束方向图和3维扫描。

7、5G大规模天线的发展趋势

本文以上章节介绍了一种5G大规模天线的系统组成，并对天线的关键组成部分的设计提出解决思路。设备的小型化，集成化，高效性是永恒的主体，第五代移动通信系统将在2020年迎来大规模应用，5G大规模天线如何更好的服务系统需求，个人认为还需在以下方面做进一步的努力和提升：

（1）更小的体积更轻的质量，降低天线AAU整机的部署难度和费用；

（2）天线模块化和集成化，提高可生产性，未来的天线模块应该是多层板PCB表贴单元模块和连接器模块的高度集成化产品；

（3）高效的自动化测试系统，提升多端口大规模天线的测试效率，解决产业化产能瓶颈。