北斗＋5G應用場景下的天線技術研究

劉志華

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東廣州，510000）

0 引言

北斗和5G是實現“國器自立，自主可控”的兩大核心領域，兩者有機融合將成為高精度、高可靠、高安全的新一代信息時空體系[1]，導航和通信融合的理論邏輯在于衛星系統可以為地面基站等提供授時、定位服務的時空基準，但由于大氣層折射和設備固有誤差等因素存在信號覆蓋不全和精度降低的問題，通過地基增強網絡解算分析，地基增強加速定位信息通過基站高速傳輸到終端，定位精度可達厘米級；而原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能，而且覆蓋不到基站信號的偏遠地區也能用上北斗短報文通信功能。北斗賦能5G，5G賦能北斗，兩者互為補充，特別是把終端和應用融合起來，這樣在一個智能設備上就可以實現高精度的定位和服務。

1 應用場景分析

衛星系統和地面網絡融合起來，構成強大的天地一體化網絡，加上人工智能和大數據等技術的融合，必將促進物聯網和智慧交通等應用的爆發與發展[2]。

隨著我國汽車保有量的日益增加，司機不文明駕車等人為原因導致交通事故頻頻發生，交通燈設置不合理等等都會造成城市交通擁堵，無人駕駛技術應運而生。無人駕駛需要超高、超快的路況信息交流。北斗三號導航系統為無人駕駛提供非常精準的定位和應急通信以及高精度地圖；5G 的發展為無人駕駛汽車提供低延時高寬帶的信息交流[3]。當有危險發生或危險已發生時，汽車可以自動給附近汽車發送信息，讓其他車輛及時做出緊急避險反應，大大降低車輛事故發生的幾率，提供安全保障。整個交通網絡接入網絡，合理控制交通信號燈，改善上下班高峰擁堵。智慧交通構建如圖1所示。

車載終端通過通信單元實現與邊緣云互聯，邊緣云與北斗系統差分基準站和5G基站互通信息，通過云端進行數據處理和宏觀控制，實現萬物互聯，互聯互通。

圖1 智慧交通構建圖

2 原理與設計

智慧交通同大部分北斗+5G應用場景一樣，由于北斗的信號強度弱，容易受到5G信號的強干擾，導致北斗系統功能癱瘓。目前，國內已經部署的5G基站超過100萬座，其中5G的2515～2675 MHz頻段與北斗信號S頻率2491.75±8.16MHz相鄰，隔離帶僅15MHz。工信部發布的最新規定，2515～2675MHz頻段5G信號在2483.5～2500MHz內的帶外無用發射信號最大值為-43dBm/MHz[4]，而北斗S信號的落地電平約為-127dBm，比5G信號泄漏的功率低近100dB，且二者頻率相隔較近，5G信號將對北斗定位業務造成干擾。

2.1 多波束抗干擾原理分析

空域濾波是在期望信號和干擾信號的到達方向上分別形成波束和零陷，以實現接收期望信號的同時抑制干擾。目前北斗領域多采用數字自適應波束形成。

數字多波束抗干擾技術，在數字域通過調整各接收通道的加權值，使天線陣列主波束對準衛星信號來向。每個指向波束，采用空時抗干擾架構，在干擾來向產生零陷，從而達到既提升靈敏度，又有抗干擾的效果，該技術架構圖如圖2所示。信號通過天線陣、射頻通道、A/D、DDC等模塊，分別進行射頻信號接收、濾波、放大、變頻、數字采樣和變頻，得到數字基帶信號，數字基帶信號經過信道均衡，消除各通道間的幅度誤差和相位誤差。天線姿態信息轉化為方向矢量，跟信道均衡后的信號進行加權，即可產生波束信號。對波束信號進行抗干擾處理，即可實現波束指向抗干擾功能。

圖2 多波束抗干擾原理圖

數字多波束通過方向矢量加權，將波束主瓣對準衛星方向，多個陣子衛星能量的疊加，能有效提升衛星信號功率，波束增益提高，通過波束指向帶來的靈敏度提升，等效于抗干擾的提升；數字多波束能通過多個陣子的相位加權，對方向圖進行補償，從而改善方向圖不圓度；采用提升的靈敏度來補償壓縮射頻帶來的損失，因此波束指向可采用更大的射頻動態，提升抗干擾性能。

常規北斗S頻段天線增益為5.5dBi[5][6]，利用7單元圓陣合成多波束，增益理論最大值能達到13.95dBi。

2.2 多波束天線設計

對均勻圓形陣列而言，不僅能夠在全方位提供角度估計，且與矩形陣列相比，圓周的中心對稱性能夠保證對于任意方向角都能夠產生等寬度的波束和相等的波束增益，均勻圓陣的特殊對稱幾何結構還克服了線陣中各天線陣元之間互耦效應不平衡的缺陷。均勻圓陣已經廣泛應用在衛星定位天線布陣。常用7陣元陣列天線幾何結構圖如圖3所示，

圖3 7陣元陣列天線布局圖

中心陣元為北斗三號多頻天線疊層設計，其中最上層為S中心陣元，圓周邊緣陣列分別為S頻段的1～6號抗干擾陣元。仿真結果如圖4所示。

圖4 (a)為90°仰角增益，(b)為10°仰角增益

匯總數據如下表1。

表1 S頻段增益仿真結果

由數據可知，7陣元陣列天線的增益較高，差值為8dB，不及預期增益理論最大值，主要原因在于天線陣元間產生的有害互耦，天線仿真結構達到設計效果。

3 實驗

通過軟件的優化仿真得出天線的結構參數：圓形地板大小為φ140mm，高10mm；S陣元大小為20*20mm，高度為3mm，陣元間間距60mm。各個結構件采用螺釘進行緊固。

由圖5可見，仰角90°和10°增益分別13.52dBi和5.08dBi。

圖5 天線遠場測試方向圖

實驗設置在正常開啟的5G基站旁邊，距離小于1米，由上表2可見，不同北斗用戶機采用單陣元天線，通信成功率只有65%左右，不滿足成功率大于95%的標準，而采用7陣元多波束抗干擾天線的用戶機，通信成功率大于95%，滿足通信要求。

表2 北斗用戶機采用不同天線陣的通信成功率

4 結論

本文研究的陣列天線及其多波束抗干擾關鍵技術，不僅擁有良好的全方位增益特性，而且實現了北斗用戶機有效對抗5G信號的干擾。這種研究對于北斗+5G大融合設備開發具有一定的參考價值。