5G移動通信的天線技術研究

張躍辰

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

面向5G通信的基站終端天線陣列是5G移動通信中非常關鍵的內容，通過在維持波束賦形增益和精準度的基礎上促進天線設計更加小型化，從而為移動通信可持續發展奠定基礎。

1 5G移動通信天線技術概述

5G是第五代移動通信技術，我國在2020年后全面推廣5G技術體系。結合移動網絡呈現的發展規律可知，5G技術的應用能大大提高頻譜能效和應用效率。另外，將4G技術作為5G技術發展的基礎，積極推進無線移動網絡中無線傳輸和網絡系統技術的優化升級，能夠更好地完成通信管理。多天線接收和多天線發送技術是5G系統中有效提升頻譜效率的重點，因此要整合技術要點，以開展更加合理的技術控制[1]。結合多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術發展要求和內容，將空時編碼研究體系分為空間復用技術、空間分集技術以及空時預編碼技術，如表1所示。

表1 空時處理編碼體系構成

多天線空時處理技術能在不增加帶寬的基礎上，保證通信系統容量和頻譜利用率得以提升，最大程度上實現信道的多徑處理，改善系統性能狀態，為面向5G移動通信的天線處理工作優化升級提供保障[2]。

將手機天線作為終端天線的基礎，建立基于5G技術平臺模式的小型化MIMO天線和陣列模式，不僅能有效維持增益效果，也能保證方向圖、帶寬等都符合既定需求。在建立終端體系的同時，確保天線輻射特性管理的最優化。一方面，為了有效滿足5G移動通信全面商用的需求，并兼容5G移動通信和現有通信頻段要求，要整合具體應用結構，以便建立面向服務型服務模式。首先，結合現有終端安裝通信頻段支持下的天線結構，結合陣元的實際需求提高帶寬的范圍，無需寬頻或多頻設計就能確保增益和輻射效率。其次，建立面向5G移動通信的天線技術體系，充分結合小型化技術要求，保證移動通信終端更輕薄。另一方面，在分析小型化寬帶天線研究的基礎上，結合不同場景無線通信要求，配合彎折線加載法、電容電抗元件加載法以及縫隙加載法、感性/容性結構加載法以及超表面加載法等建立更好的面向基站和終端電線的小型化處理體系[3]。

2 面向5G移動通信小型化天線技術內容

以面向5G移動通信小型化天線陣列設計為例，分析耦合原理，同時對去耦合設計結果予以討論。

2.1 列陣天線耦合原理

列陣天線是由兩個以上天線單元規則或隨機排列，并通過適當的激勵模式獲取預定輻射特性的特殊天線。對輻射源和天線饋電電流予以處理，能有效獲取不同的特定輻射。要想完成5G移動通信基站小型化天線陣列處理工作，就要充分關注Massive MIMO應用和高質量波束賦形需求，確保列陣天線隔離度滿足標準，并且尋找匹配的陣列去耦合方法[4]。

在天線陣列中，互耦也是非常關鍵的情況。一方面，天線陣元之間的互耦會造成每個陣元輸入阻抗和單元本身輸入阻抗的差異。另一方面，反射波的產生也會對天線列陣方向圖造成影響，影響天線陣列的主瓣增益。基于此，為了有效解決列陣天線耦合產生的負面影響，就要結合實際應用要求選取匹配的去耦合方式。反向耦合相消法原理如圖1所示。

圖1 反向耦合相消法原理

由圖1可知，針對相鄰陣列等幅同向饋電，在沒有出現隔離臂的情況下，天線1和天線2就會產生和傳輸方向相同的耦合電流。此時，天線1的傳輸電流和天線2的傳輸電流處于同向狀態，改變天線2自身的阻抗數值就會形成天線之間的互耦[5]。而在增加隔離臂后，天線1和天線2之間形成耦合電流的同時，在隔離臂結構左端會形成參數相同的電流，經過隔離臂傳輸就會形成與左端相反的內容，從而實現反向耦合相消[6]。

2.2 去耦合過程

為了全面了解面向5G移動通信小型化天線列陣中加載去耦模塊的情況，就要分析在沒有增加去耦模塊情況下的耦合特性。未添加去耦合模塊的雙天線陣列如圖2所示。

圖2 未添加去耦合模塊的雙天線陣列

依據組成天線陣列的情況，若是介質參數出現變化，未加載耦合模塊的狀態下會增加控制隔離度和回波損耗。基于此，天線列陣要依據實際情況適當增加去耦合模塊。

去耦等效電路圖如圖3所示。增加去耦隔離臂的方式中，將天線1的左側作為基準線，就會在天線2中產生和數值傳輸方向相同的電流，以便于去耦隔離臂上形成和傳輸方向相同的電流。若是將天線2作為基準線，則去耦隔離臂上的電流和耦合電流的方向就會呈現出相反的狀態，這就能實現去耦的要求[7]。

圖3 去耦原理

在面向5G移動通信小型化天線設計中，盡管去耦隔離臂會有效增加天線陣元之間的隔離度，然而增加隔離臂操作結束后依舊無法滿足隔離度的標準。在此基礎上，合理控制回波損耗，在設定天線陣元參數的同時優化阻抗帶寬，避免損耗量增大。其中，有效增加去耦中和線具有較為突出的優勢。將反向耦合相消的基礎理論作為陣元隔離度的控制模式，將天線1作為基準線，右端天線2耦合電流方向和傳播方向一致，電流會在去耦中和線傳輸結束后與天線2左端電流方向相反，此時就能實現去耦合的目的。也就是說，增加去耦中和線后，回波損耗和隔離度會出現明顯的變化。天線在2.05～3.5 GHz的回波損耗低于-10 dB，滿足天線預期的工作帶寬要求和標準[8]。除此之外，在小型化CPW饋電Y型單極子天線設計處理基礎上搭建對應的面向5G移動通信基站的天線陣列，要想實現其應用要求和目標，就要進行去耦合處理，并著重分析耦合方式的匹配度[9]。

3 發展分析

將天線系統分為新理念設計天線和傳統結構天線，結合極化、行波等內容要點建立完整的規模化控制模式，在構建集群陣列的同時形成波束賦形和分級增益的服務模式。未來，5G移動通信天線技術將朝著小型化、智能化、多制式、集中式等方向發展。通過多種制式共用一面超寬帶天線，實現天線工作頻段方面多制式的合理覆蓋，并且能結合不同的系統要求對單個制式予以獨立性調控，維持應用管理的綜合效果，在發揮5G移動通信技術優勢的同時提高通信質量。除此之外，波束的分裂與賦形、智能遠程控制等將成為移動通信天線技術領域發展的主要趨勢，為系統互操作和資源優化利用創造良好的空間，助力天線與射頻模塊連接從分離式轉變為集中式，最大程度上實現合理性部署，同時也為網絡扁平化發展奠定良好的基礎[10]。

4 結 論

總而言之，5G移動通信天線技術取得了一定的成果。為了更好地發揮技術優勢作用，還需要深度挖掘技術應用內容，整合技術體系和關鍵點，在毫米波天線技術基礎上實現小型化天線技術處理的發展目標，提高通信質量和水平，為移動通信可持續發展奠定堅實基礎。