5G大规模天线系统架构探讨

中国信科集团武汉虹信公司

人类社会对信息数据传输的巨大需求推动着通信技术不断向前发展。每一次移动通信的升级，几乎都对应着下行速率约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（beam forming)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。中国信科早在2015年便开始5G大规模阵列天线的研究，目前已经在2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等频段布局了系列产品。

5G大规模天线系统结构

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。为降低密集组阵的互耦影响，提升各射频通道的方向图一致性和端口隔离度，密集辐射阵中设计了去耦装置。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。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，实现对该射频通道幅相信息的精确检测。耦合校准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。5G大规模天线系统架构如图1所示。

图1 5G大规模天线系统架构图

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。

● 辐射单元的结构形式：辐射单元需要小型化设计并适合密集组阵列；辐射单元的馈电和安装结构需要与功分网络充分匹配，利于安装；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。

● 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由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2展示了由96个LCP双极化微带辐射振子组成的密集阵列。

● 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2所示的96单元密集阵列中各列辐射单元之间就设置了去耦装置。

图2 96单元密集阵列

图3 耦合校准网络校准原理图

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。

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，耦合校准网络校准原理图如图3所示，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，可实现对N个射频通道的校准。

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，通过耦合校准网络对每个射频通道的信号检测和校准以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三维波束方向图和三维扫描。

5G大规模天线的发展趋势

上述介绍了5G大规模天线的系统组成，并对天线关键组成部分的设计提出解决思路。设备的小型化、集成化、高效性是永恒的主题，第五代移动通信系统将在2020年迎来大规模应用，5G大规模天线要想更好地服务系统需求，笔者认为还需在以下方面做进一步的努力和提升：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；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；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。