5G大规模紧耦合阵列天线研究

高 峰，和 凯，宋智源，朱文涛，王丽芳,高 鹏

（中国移动通信集团设计院有限公司 北京100080）

1 引言

移动通信经历了从1G模拟技术到4G长期演进（LTE）技术的发展，已被世界上超过2/3的人使用，成为人们日常生活中不可或缺的一部分[1]。自2013年12月4日工业和信息化部颁发4G牌照以来，4G网络能力快速形成。2014年，我国4G网络基本完成了300多个城市的覆盖，4G基站建设数量超过70万个，4G用户数量快速增长，截至2014年底，中国移动通信集团公司的4G用户数量已经超过8 000万户，4G网络部署相当于3G网络6年的规模，相当于2G网络20年的规模。2014年建设的基站数量，占全球4G基站数量的40%，占全球TDD 4G基站数量的80%。

随着智能终端的普及和移动新业务需求的持续增长，至2020年，全球每年总移动业务量将超过127 EB（1 EB=109GB），能够支撑每秒百兆比特传输速率的4G移动通信系统很难满足2020年之后移动通信的应用需求，LTE建设方兴未艾，5G移动通信技术已经开始被广泛地研究[2,3]。

3 GPP业务需求（SA1）工作组于2015年2月立项研究5G业务需求，无线接入网（RAN）工作组与SA1工作组将于2015年9月召开研讨会，2016年3月开始5G的标准化工作；NGMN（Next Generation Mobile Networks，下一代移动网络）已于2015年3月完成并发布5G白皮书，阐明运营商的5G需求，后续将细化需求与网络架构；2015年6月ITU-R将发布愿景建议书，是定义5G愿景和关键能力的官方文件，也是5G研究的基础性文档。国内的IMT（International Mobile Telecommunication，国际移动通信）-2020（5G）推进组已发布5G需求白皮书和概念白皮书，计划于2015年5月底发布技术白皮书。图1为ITU定义的移动宽带的三大发展方向。

IMT-2020目前定义了大规模天线、新型多址、高频段通信、超密集组网、新型网络架构、全双工、低时延高可靠通信、物联网等新技术。其中大规模天线技术、基于有源天线和3D-MIMO技术，能够大幅度提升无线通信频谱效率和功率效率，是支撑5G移动通信最具潜力的研究方向。

2 天线阵列的研究

大规模MIMO天线的基本特征是：在同一时频资源上，采用大规模阵列天线配置所提供的空间复用方式，提升频谱资源的复用能力和各用户的频谱效率，同时利用多MIMO天线的多天线分集和波束成形技术，大幅度提升频谱资源的整体利用率，提高传输速率。

2.1 传统天线阵列

传统天线阵列模型如图2所示。

图2 传统天线阵列模型

由图2可知，由n个单元组成的阵列天线沿z轴均匀排列。根据电场的叠加原理，阵列天线在远区的辐射场可表示为：

在远区场，有如下近似：

远场条件下各阵元之间的相位差如图3所示。

在远场条件下，各个阵元在考察点P处的辐射场强方向均沿谆方向，那么，由于空间波程差引起的相位差可表示为：

假设该直线阵各阵元等间距分布，间距为d，并且各阵元的辐射方向图相等，均为那么，该直线阵的远场垂直面(φ=0)方向图可表示为：

图3 远场条件下各阵元之间的相位差

2.2 三维大规模天线阵列

在三维大规模天线阵列中，天线的方向图不仅由阵元的权值矢量决定，而且受到各个阵元上感应信号的影响，这与普通阵列天线有着极大的区别[6]。

这种情况下，阵因子由式（10）给出：

对于5G大规模阵列天线，幅度分布amn为可分离的，则阵因子为：

假设各阵元上的感应信号分量是平均值为0的平稳过程，对于给定的权值矢量W，阵列天线的辐射方向图即其平均输出功率，可以通过计算P(θ,准,t)的条件数学期望得到：

其中，E[]表示数学期望运算，R为有源阵列天线的相关系数矩阵，表示为：

相关系数矩阵中的元素表示阵元间的相关性，例如Rij表示阵列中第i个阵元和第j个阵元间的相关性，即：

这里假设si(t)由M个元素组成：si,1,si,2,…,si,M，每个阵元的输入信号都为1。

因此，大规模阵列天线三维模型可表示为：

很明显，有源阵列天线的辐射方向图不仅和各阵元的权值有关，而且由阵元间的相关程度决定。接下来对模型中的主要参数分别做讨论。

2.2.1 相关系数矩阵R

为了简化模型并充分考虑到相关系数矩阵R的作用，假设阵元间的相关系数均为ρ，则相关系数矩阵R可表示为：

众所周知，R=ρ(U-I)+I=ρU+(1-ρ)I，其中，U为元素全为1的矩阵，I为单位矩阵，则有源阵列天线的方向图模型可简化为：

式（17）采用相对的权值矢量。

2.2.2 权值矢量W

为了简化模型，令各阵元的权值均相等，即：

权值矢量W中没有考虑机械电倾角，因为机械电倾角是靠物理方式来控制的，它可以通过在优化中修正倾角值来实现。

2.2.3 单元天线的辐射方向图PE(θ,)

本节中PE(谆,)以dB的形式表示，则有如下变换：

其中，GE,Max是辐射单元的最大增益，一般取GE,Max=8 dBi。AE,H()是辐射单元的水平面方向图，可表示为：

其中，水平半波功率宽度3dB=65°，前后比Am=25 dB。AE,V(谆)是阵元的垂直面方向图，可表示为：

3 5G大规模天线的研究

在5G移动通信系统中，为了进一步提升功率效率、抑制无线通信系统中的干扰、提高无线通信系统的容量和覆盖范围、获得更精确的波束成形能力，大规模阵列天线成为实现这些需求的关键技术。随着天线阵列规模的扩大，考虑到阵列天线体积、带宽、增益、耦合等技术指标的限制，对5G大规模阵列天线的研究提出了更高的挑战。

强耦合效应的阵列天线是一种利用天线单元之间的电磁耦合来展宽天线工作带宽的天线阵列。紧耦合阵列天线（tightly coupled phased array，TCPA）具有超宽带的阻抗特性，往往能够达到超过1∶5的频比，可以实现一定的波束扫描，是实现5G大规模阵列天线的良好方式。

3.1 紧耦合阵列天线的设计方法

紧耦合天线的辐射部分为具有互相强烈耦合的短偶极子，相邻振子通过电容进行耦合。单元之间的耦合，使得场可以在相邻单元之间传播从而增大工作带宽，同时减小单元的谐振频率。偶极子的长度通常为最大工作频率的半波长。

紧耦合天线放置在一块金属背板上方，剖面小于最高工作频率的半波长。金属反射板能够消除后瓣，使得紧耦合阵列天线单向辐射。

由于紧耦合天线的辐射单元为偶极子形式，因此，当采用微带线、同轴线等不平衡的馈线进行馈电时，需要通过具有宽频带、低损耗性能的巴伦进行平衡至不平衡的转换。

阵列进行波束扫描的时候，相邻单元之间存在馈电相差。这种相差会引起有源驻波的强烈变化，降低工作带宽。有学者提出，在阵列上方放置特定厚度的介质板可以抵消波束扫描时的阻抗变化，从而增大带宽。

综上所述，紧耦合天线由短偶极子、金属反射板、宽带巴伦、宽角匹配层等几个结构组成。

3.2 紧耦合阵列天线的仿真设计

3.2.1 子单元的设计

紧耦合阵列天线的子单元结构如图4所示。子单元中的偶极子两臂分别印制在介电常数为2.2、厚度为0.25 mm的Rogers 5880介质板上。紧密排列的偶极子互相重叠。天线采用微带线形式的不平衡馈电结构。馈电端口特性阻抗为150Ω。子单元的尺寸为：5.42 mm×8.13 mm×10.45 mm。

图4 子单元示意

3.2.2 阵列天线布阵方式

设计的阵列天线为阵间距等于11.5 mm的矩形平面阵，极化方式为45°。阵列形式如图5（a）所示。通常基于紧耦合效应的偶极子单元尺寸小于阵列波长的1/4，因此采用子阵列的设计方案，即将阵列分解为如图5（b）所示的形式，其中每一个单元为一个子阵，该子阵可由1～4个子单元构成，如图5（c）所示。

根据子单元的结构尺寸，图4（b）中每个子阵列的大小为8.13 mm×16.26 mm。本文中，一个子阵列由3个子单元构成，子单元的尺寸为5.42 mm×8.13 mm。考虑到端口阻抗匹配，每个子单元的输入阻抗设计为150Ω，通过将3个相邻子单元并联，实现150Ω到50Ω的阻抗变换，具体阵列结构如图6所示。

图5 阵列布阵结构

图6 子单元阵列组阵示意

3.2.3 子阵列结构分析与设计

本文设计的子阵列将3个首尾相互强耦合的短偶极子进行组阵，如图7所示。

图7 子阵列的布阵方式

利用HFSS（high frequency structure simulator,高频电磁仿真软件）对子阵列进行了建模分析，子阵模型及馈电模型如图8所示。3个子单元的微带馈线穿过金属反射板，与金属反射板后方的微带功分器相连。为了使3个子单元馈电的相位一致，采用曲折线来补偿微带线长度的差距。金属反射板后方为Rogers 5880介质，厚度为0.5 mm。由于子单元的输入阻抗为150Ω，这里的微带线宽度选择为0.15 mm。将3根0.15 mm微带线并联到1.5 mm线宽的微带线上，实现150Ω到50Ω的阻抗转换。

3.2.4 5G大规模阵列天线仿真

图8 子阵模型及馈电模型

图9 5×5阵列天线仿真模型

设计了一个5×5的25单元的阵列天线，仿真模型如图9所示。设Nx=n代表沿x轴分布的第n个单元；Ny=n代表沿y轴分布的第n个单元。例如，第一排第3个单元表示为Nx=3，Ny=1，其有源驻波表示为ActiveVSWR（31）。

4 5G大规模天线仿真结果

图10为本文设计的紧耦合子阵列及子单元的有源驻波比仿真结果。可以看出，子单元和子阵列在2.58～17.1 GHz频段满足ActiveVSWR<3，具有良好的匹配特性。

图10 子阵列及子单元的有源驻波比

图11 给出了本文设计的5×5阵列天线的部分子单元的有源驻波比、有效驻波比（EffectiveVSWR）及整个阵列天线的等效有源驻波比。从图11中可以看出，该阵列天线在2.8～19.2 GHz频段满足ActiveVSWR<3，其相对带宽可达到149.1%。

图11 子单元及整体阵列有源驻波比

5 结束语

本文介绍了5G移动通信技术的背景、发展历程以及大规模阵列天线对于5G移动通信系统的重要性；详细阐述了二维、三维阵列天线的基本原理和相关理论；在此基础上，重点介绍了紧耦合阵列天线，其具有体积小、带宽大等技术优势，是5G大规模阵列天线研究的重要方向；详细阐述了紧耦合阵列天线的构成、设计方法和设计步骤，设计出一种5×5的紧耦合阵列天线，该天线相对带宽可达到149.1%，在2.8～19.2 GHz频段满足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