5G移动通信的天线技术研究

张跃辰

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

面向5G通信的基站终端天线阵列是5G移动通信中非常关键的内容，通过在维持波束赋形增益和精准度的基础上促进天线设计更加小型化，从而为移动通信可持续发展奠定基础。

1 5G移动通信天线技术概述

5G是第五代移动通信技术，我国在2020年后全面推广5G技术体系。结合移动网络呈现的发展规律可知，5G技术的应用能大大提高频谱能效和应用效率。另外，将4G技术作为5G技术发展的基础，积极推进无线移动网络中无线传输和网络系统技术的优化升级，能够更好地完成通信管理。多天线接收和多天线发送技术是5G系统中有效提升频谱效率的重点，因此要整合技术要点，以开展更加合理的技术控制[1]。结合多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术发展要求和内容，将空时编码研究体系分为空间复用技术、空间分集技术以及空时预编码技术，如表1所示。

表1 空时处理编码体系构成

多天线空时处理技术能在不增加带宽的基础上，保证通信系统容量和频谱利用率得以提升，最大程度上实现信道的多径处理，改善系统性能状态，为面向5G移动通信的天线处理工作优化升级提供保障[2]。

将手机天线作为终端天线的基础，建立基于5G技术平台模式的小型化MIMO天线和阵列模式，不仅能有效维持增益效果，也能保证方向图、带宽等都符合既定需求。在建立终端体系的同时，确保天线辐射特性管理的最优化。一方面，为了有效满足5G移动通信全面商用的需求，并兼容5G移动通信和现有通信频段要求，要整合具体应用结构，以便建立面向服务型服务模式。首先，结合现有终端安装通信频段支持下的天线结构，结合阵元的实际需求提高带宽的范围，无需宽频或多频设计就能确保增益和辐射效率。其次，建立面向5G移动通信的天线技术体系，充分结合小型化技术要求，保证移动通信终端更轻薄。另一方面，在分析小型化宽带天线研究的基础上，结合不同场景无线通信要求，配合弯折线加载法、电容电抗元件加载法以及缝隙加载法、感性/容性结构加载法以及超表面加载法等建立更好的面向基站和终端电线的小型化处理体系[3]。

2 面向5G移动通信小型化天线技术内容

以面向5G移动通信小型化天线阵列设计为例，分析耦合原理，同时对去耦合设计结果予以讨论。

2.1 列阵天线耦合原理

列阵天线是由两个以上天线单元规则或随机排列，并通过适当的激励模式获取预定辐射特性的特殊天线。对辐射源和天线馈电电流予以处理，能有效获取不同的特定辐射。要想完成5G移动通信基站小型化天线阵列处理工作，就要充分关注Massive MIMO应用和高质量波束赋形需求，确保列阵天线隔离度满足标准，并且寻找匹配的阵列去耦合方法[4]。

在天线阵列中，互耦也是非常关键的情况。一方面，天线阵元之间的互耦会造成每个阵元输入阻抗和单元本身输入阻抗的差异。另一方面，反射波的产生也会对天线列阵方向图造成影响，影响天线阵列的主瓣增益。基于此，为了有效解决列阵天线耦合产生的负面影响，就要结合实际应用要求选取匹配的去耦合方式。反向耦合相消法原理如图1所示。

图1 反向耦合相消法原理

由图1可知，针对相邻阵列等幅同向馈电，在没有出现隔离臂的情况下，天线1和天线2就会产生和传输方向相同的耦合电流。此时，天线1的传输电流和天线2的传输电流处于同向状态，改变天线2自身的阻抗数值就会形成天线之间的互耦[5]。而在增加隔离臂后，天线1和天线2之间形成耦合电流的同时，在隔离臂结构左端会形成参数相同的电流，经过隔离臂传输就会形成与左端相反的内容，从而实现反向耦合相消[6]。

2.2 去耦合过程

为了全面了解面向5G移动通信小型化天线列阵中加载去耦模块的情况，就要分析在没有增加去耦模块情况下的耦合特性。未添加去耦合模块的双天线阵列如图2所示。

图2 未添加去耦合模块的双天线阵列

依据组成天线阵列的情况，若是介质参数出现变化，未加载耦合模块的状态下会增加控制隔离度和回波损耗。基于此，天线列阵要依据实际情况适当增加去耦合模块。

去耦等效电路图如图3所示。增加去耦隔离臂的方式中，将天线1的左侧作为基准线，就会在天线2中产生和数值传输方向相同的电流，以便于去耦隔离臂上形成和传输方向相同的电流。若是将天线2作为基准线，则去耦隔离臂上的电流和耦合电流的方向就会呈现出相反的状态，这就能实现去耦的要求[7]。

图3 去耦原理

在面向5G移动通信小型化天线设计中，尽管去耦隔离臂会有效增加天线阵元之间的隔离度，然而增加隔离臂操作结束后依旧无法满足隔离度的标准。在此基础上，合理控制回波损耗，在设定天线阵元参数的同时优化阻抗带宽，避免损耗量增大。其中，有效增加去耦中和线具有较为突出的优势。将反向耦合相消的基础理论作为阵元隔离度的控制模式，将天线1作为基准线，右端天线2耦合电流方向和传播方向一致，电流会在去耦中和线传输结束后与天线2左端电流方向相反，此时就能实现去耦合的目的。也就是说，增加去耦中和线后，回波损耗和隔离度会出现明显的变化。天线在2.05～3.5 GHz的回波损耗低于-10 dB，满足天线预期的工作带宽要求和标准[8]。除此之外，在小型化CPW馈电Y型单极子天线设计处理基础上搭建对应的面向5G移动通信基站的天线阵列，要想实现其应用要求和目标，就要进行去耦合处理，并着重分析耦合方式的匹配度[9]。

3 发展分析

将天线系统分为新理念设计天线和传统结构天线，结合极化、行波等内容要点建立完整的规模化控制模式，在构建集群阵列的同时形成波束赋形和分级增益的服务模式。未来，5G移动通信天线技术将朝着小型化、智能化、多制式、集中式等方向发展。通过多种制式共用一面超宽带天线，实现天线工作频段方面多制式的合理覆盖，并且能结合不同的系统要求对单个制式予以独立性调控，维持应用管理的综合效果，在发挥5G移动通信技术优势的同时提高通信质量。除此之外，波束的分裂与赋形、智能远程控制等将成为移动通信天线技术领域发展的主要趋势，为系统互操作和资源优化利用创造良好的空间，助力天线与射频模块连接从分离式转变为集中式，最大程度上实现合理性部署，同时也为网络扁平化发展奠定良好的基础[10]。

4 结 论

总而言之，5G移动通信天线技术取得了一定的成果。为了更好地发挥技术优势作用，还需要深度挖掘技术应用内容，整合技术体系和关键点，在毫米波天线技术基础上实现小型化天线技术处理的发展目标，提高通信质量和水平，为移动通信可持续发展奠定坚实基础。