張長(zhǎng)青（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司，湖南岳陽(yáng) 414000）

1 概述

5G 系統(tǒng)面臨著物聯(lián)網(wǎng)、頻譜碎片化、實(shí)時(shí)控制和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等應(yīng)用挑戰(zhàn)，其中物聯(lián)網(wǎng)的萬(wàn)物互聯(lián)和不定時(shí)性特點(diǎn)，要求5G系統(tǒng)支持的每平方公里非同步終端接入的密度極高；碎片化空白頻帶資源應(yīng)用要求5G 系統(tǒng)具備支持旁瓣功率泄漏極小的低中高多頻帶應(yīng)用能力；M2M 引起的實(shí)時(shí)控制，要求5G 系統(tǒng)能夠大量頻繁地使用短幀來(lái)傳輸控制數(shù)據(jù)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融入和互聯(lián)，則要求5G系統(tǒng)具有方便靈活地分配不同子頻帶網(wǎng)絡(luò)的能力?？梢钥闯?，如此多的新的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和場(chǎng)景，首先就要求5G 系統(tǒng)的基站具有接入海量、定位精準(zhǔn)、子帶寬不定、終端與基站異步、可方便安裝維護(hù)和硬件成本低廉的基本性能，要求天線對(duì)同小區(qū)用戶分辨率較高和抗鄰頻干擾的能力較強(qiáng)，要求天線系統(tǒng)能靈活適應(yīng)多頻點(diǎn)頻帶應(yīng)用，方便天線系統(tǒng)戶外維護(hù)和優(yōu)化。

目前大規(guī)模MIMO 天線研究集中在振元固定、分布式結(jié)構(gòu)上，雖然振元數(shù)量高達(dá)128甚至更多，但固定模式結(jié)構(gòu)的天線一般只能應(yīng)用于某一特定的頻點(diǎn)或頻帶，與5G 的多頻共融極不相符。一般情況，大規(guī)模MIMO 天線的覆蓋區(qū)域較大，應(yīng)用方式多樣，面臨的頻譜應(yīng)用范圍相對(duì)較大，數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、M2M、監(jiān)控等業(yè)務(wù)同處一小區(qū)，或者共用一個(gè)基站。為了能夠降低技術(shù)難度，方便安裝、維護(hù)和優(yōu)化，可適應(yīng)多頻帶應(yīng)用場(chǎng)景，又能同時(shí)發(fā)揮大規(guī)模MIMO 天線在空間復(fù)用、空間分集和波束賦形的功能，設(shè)計(jì)了一款可面向5G的多頻模塊式有源大規(guī)模MIMO 天線，該天線以波束賦形模塊為基本輻射單元，單元中的振元數(shù)量視其支持的頻帶而定，單元可以插拔，可針對(duì)不同的場(chǎng)景使用不同頻帶的模塊單元，可同時(shí)支持空間復(fù)用、空間分集和波束賦形功能。

2 5G系統(tǒng)的頻譜應(yīng)用分析

對(duì)于5G 系統(tǒng)的頻譜全球至今還沒(méi)有達(dá)成最終共識(shí)，其中日本已將4.5 GHz 作為5G 系統(tǒng)研究的頻譜范圍，美國(guó)和韓國(guó)也已開(kāi)始研發(fā)基于28 GHz 的高頻5G網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)運(yùn)營(yíng)商普遍認(rèn)為5G頻譜應(yīng)高中低頻段結(jié)合應(yīng)用，我國(guó)的專家工程技術(shù)人員則傾向于采用6 GHz以下的碎片化窄帶低頻段和6 GHz以上的連續(xù)性寬帶高頻段相結(jié)合的原則，并認(rèn)為6 GHz以上的高頻譜，因其具有較大的連續(xù)頻譜寬帶、傳輸速率高和覆蓋性能較差的特點(diǎn)，可以作為頻譜資源應(yīng)用的主流，為高訪問(wèn)量熱點(diǎn)區(qū)提供高容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)；6 GHz 以下的低頻譜，因其多為碎片結(jié)構(gòu)、頻譜資源稀少、帶寬較窄、傳輸速率較低和傳輸距離較遠(yuǎn)、覆蓋性能較好，可以作為頻譜資源應(yīng)用的輔助，為室內(nèi)數(shù)據(jù)、某些特殊話務(wù)和M2M等可以使用碎片頻譜的應(yīng)用提供補(bǔ)充。

研究表明，傳統(tǒng)6 GHz 以下的IMT（International Mobile Telecommunications）低頻譜，具有較好的傳播特性，但頻譜資源稀少，帶寬較窄，如我國(guó)IMT 系統(tǒng)劃分使用頻段中的空白頻譜總共有8 個(gè)，且?guī)捲?～55 MHz，如表1所示；6 GHz以上的高頻譜，傳播特性具有明顯的光學(xué)特征，直線傳播、衰減較大、傳播距離較短，但頻譜資源豐富，連續(xù)帶寬極大，至少有14個(gè)可用頻段，如表2所示。

表1 6 GHz以下的潛在IMT可用頻段

表2 6～100 GHz以上的潛在IMT可用頻段

另外，5G 系統(tǒng)將會(huì)是一個(gè)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等綜合網(wǎng)絡(luò)匯集的平臺(tái)，其廣泛的無(wú)線接入能力可以支持人與人、人與物、物與物的任意通信與交互，可以支持包括傳感器、攝像頭、監(jiān)聽(tīng)器和控制器等獲取的關(guān)于工業(yè)、社會(huì)和民用信息在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)的傳輸。因此，5G網(wǎng)絡(luò)中不僅會(huì)有大量的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)流和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流，還會(huì)存在大量的特殊短幀結(jié)構(gòu)的控制數(shù)據(jù)流，存在大量的經(jīng)過(guò)專業(yè)壓縮處理的專用視頻、音頻數(shù)據(jù)流，以及大量的經(jīng)過(guò)低功率微基站或中繼站橋接路過(guò)的數(shù)據(jù)流。

因此，為了適應(yīng)不同場(chǎng)景的無(wú)線通信，5G 系統(tǒng)將會(huì)采用不同頻段支持不同業(yè)務(wù)類型的無(wú)線傳輸方案，從而形成空中接口無(wú)線信道的頻段多樣化應(yīng)用。為了應(yīng)對(duì)廣泛的接入需求和多樣性，也為了適應(yīng)熱點(diǎn)區(qū)域的密集性和不均性接入特點(diǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)還會(huì)逐漸降低傳統(tǒng)需求的無(wú)縫覆蓋標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)以大基站為中心和微基站補(bǔ)充協(xié)調(diào)的有效覆蓋機(jī)制。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎托帕顐鬏數(shù)目煽啃裕\(yùn)行在新型的由大小基站組合群覆蓋的網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流與信令流采用的頻譜將是不同的，這就要求大基站的天線系統(tǒng)具有同時(shí)支持多頻發(fā)射的功能。

3 可插拔有源陣列模塊分析

大基站天線是整個(gè)天線群體的核心，在無(wú)線方面可以同時(shí)支持不同頻譜傳輸，傳統(tǒng)的MIMO 天線已經(jīng)不能適用。5G 系統(tǒng)雖然是一個(gè)需要同時(shí)支持多頻譜信道的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的振元固定分布式大規(guī)模MIMO 天線，雖然具有一定的分集增益和波束賦形能力，但無(wú)法支持多頻譜信道同時(shí)通信，也不能從物理上同時(shí)處理好天線振子的分集增益和波束賦形。為了更好地適應(yīng)5G接入網(wǎng)的大基站天線群體架構(gòu)模式，大基站天線首先必須解決這2 個(gè)方面的問(wèn)題。為此，本文設(shè)計(jì)了一款新型的可插拔式、可方便更換不同輻射頻率的多頻模塊有源大規(guī)模MIMO 天線架構(gòu)，該天線架構(gòu)主要由2個(gè)部分組成，一部分是可插拔、可支持不同頻譜的有源陣列模塊，一部分是支撐可插拔有源 陣列模塊和后續(xù)技術(shù)的底座框架，如圖1所示。

圖1 多頻模塊有源大規(guī)模MIMO天線架構(gòu)

根據(jù)天線理論，陣元間距是相控陣列設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，合理選擇陣元間距可以有效地防止柵瓣進(jìn)入實(shí)空間。一般情況下陣元間距取半波長(zhǎng)整數(shù)倍可使副瓣更小，從而降低輻射功率泄漏，減少能量分散到無(wú)用空間。半波天線具有較好的天線特征，垂直波瓣角為78°，并有較小的物理尺寸。以半波天線作為陣元的三維立體半波天線陣列，賦形波束的單向控制性很好，波束立體角小，輻射能量集中，通過(guò)指定方位角和下傾角就可以獲得較好的定向波束。因?yàn)殛嚵心K的幾何尺寸受到天線架構(gòu)的限制，可插拔有源陣列模塊在Y軸向一般只取2層。如圖1所示，設(shè)計(jì)的低頻陣列模塊可支持8 個(gè)半波天線陣元，高頻陣列模塊可支持32個(gè)半波天線陣元，2類陣列模塊的大小一致，底座接口相同，可以任意插在底座的任何接口上，方便用戶在底座上根據(jù)需要選擇高低頻模塊分布插入。

工程中，半波天線陣列模塊中各振元的間距多設(shè)為：X軸間距是λ/2、Y軸間距是λ/4、Z軸間距是0.6λ，也有Z軸間距為λ/2。在模塊的幾何尺寸不變的情況下，模塊支持的頻率越高振元的分布數(shù)量越多，這也正好符合技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樾盘?hào)的頻率越高，輻射傳輸?shù)木嚯x越短，陣列振元越多，波束主瓣角越小，副瓣越少，主瓣能量密度越高，主瓣的輻射距離也就越遠(yuǎn)，可以彌補(bǔ)低頻輻射與高頻輻射距離不對(duì)等的缺陷。若以低頻模塊主頻率f=3 GHz 為模塊大小的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因其波長(zhǎng)λ=10 cm，4 個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的陣列模塊的寬高厚可以定義為w=7 cm、h=15 cm、d=4 cm。高頻主頻率f=6 GHz，波長(zhǎng)λ=5 cm，同樣大小的陣列模塊完全可以支持32個(gè)半波天線陣元。

陣列模塊的功能是專門(mén)產(chǎn)生賦形波束，所以每個(gè)陣列模塊的陣元信號(hào)是同一用戶信號(hào)，但每個(gè)陣元信號(hào)與其前后左右上下鄰居陣元相同信號(hào)的相位差，可以通過(guò)陣元后面的相移器靈活調(diào)整，每個(gè)相同陣元信號(hào)的強(qiáng)度也可以由系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求確定，如圖2 所示。所以雖然陣列模塊上各陣元的位置固定不變，但通過(guò)調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的強(qiáng)度和相位差，同樣可以方便地獲得指向任意方向的賦形波束。由于是有源部件，陣列模塊除了陣列振元和標(biāo)準(zhǔn)接口外，還有射頻功放、定位處理、相幅控制，甚至可以包括射頻調(diào)制等功能單元，之所以將射頻調(diào)制功能放在陣列模塊中，因?yàn)橐３置總€(gè)模塊與底座間的接口的標(biāo)準(zhǔn)性，即每個(gè)模塊的接口都一樣，最好能將射頻調(diào)制功能直接做在模塊上，雖然增加了模塊硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，但可以方便模塊在安裝、維護(hù)和優(yōu)化時(shí)的可插拔性。

圖2 四陣元陣列模塊中陣元控制簡(jiǎn)圖

4 陣列模塊波束賦形理論分析

設(shè)觀測(cè)點(diǎn)P（r，θ，φ）距半波天線較遠(yuǎn)，設(shè)半波天線長(zhǎng)為2L、波數(shù)為k=2π/λ、幅值為Im。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，當(dāng)z≥0 時(shí)，信號(hào)激勵(lì)電流為I（z）=Imsink（l-z），當(dāng)z＜0 時(shí)，信號(hào)電流I（z）=-Imsink（l+z）。當(dāng)r＞＞L時(shí)，半波天線上的電流元Idz在P點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可以表示為dEθ=jη0Idz（/2λr）sinθe-jkr，參考圖2，對(duì)天線長(zhǎng)2L積分，可得單根半波天線的方向圖函數(shù)為：

半波天線是一種長(zhǎng)度為半個(gè)波長(zhǎng)的直線天線，由其組成的基本一維天線陣列有2 種，一種是由Nx個(gè)半波天線平行組成的平行振子陣列，一種是Nz個(gè)半波天線共軸組成的共軸振子陣列，根據(jù)半波天線陣列方向圖乘積定理，Nx陣元平行振子陣列和Nz陣元共軸振子陣列的方向圖函數(shù)分別為：

式中，ψx=αx+kdxsinθcosφ、ψz=αz+kdzcosθ是相鄰振子間的總相位差?？梢钥闯?，平行振子陣列的方向圖與傾角和方位角相關(guān)，因而是定向陣列；共軸振子陣列的方向圖僅與傾角相關(guān)，因而是方位全向性陣列。

所有二維平面和三維立體半波天線陣列都是由平行振子陣列和共軸振子陣列組成。設(shè)三維立體半波天線陣列在X軸上的陣元數(shù)為Nx、Y軸上的陣元數(shù)為Ny、Z軸上的陣元數(shù)為Nz，設(shè)X軸上相鄰陣元間距為dx、Y軸上相鄰陣元間距為dy、Z軸上相鄰陣元間距為dz，設(shè)X軸上相鄰陣元激勵(lì)電流相位差為αx、Y軸上相鄰陣元激勵(lì)電流相位差為αy、Z軸上相鄰陣元激勵(lì)電流相位差為αz。根據(jù)半波天線陣列方向圖乘積定理，三維立體半波天線陣列在觀測(cè)點(diǎn)P（r，θ，φ）處的方向圖函數(shù)為：

其中：ψx=αx+kdxsinθcosφ，ψy=αy+kdysinθsinφ，ψz=αz+kdzcosθ為相鄰陣元間的總相位差。

顯然，［cos（π/2cosθ）/sinθ］是半波天線方向圖函數(shù)，［sin（Nxψx/2）/sin（ψx/2）］是沿X軸的平行振子陣列陣因子，［sin（Nyψy/2）/sin（ψy/2）］是沿Y軸的平行振子陣列陣因子，［sin（Nzψz/2）/sin（ψz/2）］是沿Z軸的共軸振子陣列陣因子。

根據(jù)圖2 所示陣列模塊的設(shè)計(jì)要求，分別取低頻f=3 GHz和高頻f=6 GHz分析。設(shè)dx=0.5λ，dy=0.25λ，dz=0.6λ，對(duì)于低頻模塊取Nx=2、Ny=2、Nz=2，對(duì)于高頻模塊取Nx=4、Ny=2、Nz=4。圖3 所示為取αx=0°、αy=-60°、αz=0°時(shí)低頻8陣元模塊和高頻32陣元模塊產(chǎn)生的賦形波束，其中8 陣元波束的波瓣角較大，輻射功率密度較低，副瓣極??；32 陣元波束的波瓣角較小，輻射功率密度較高，副瓣相對(duì)較大。所以，低頻小陣元模塊雖然輻射功率泄漏小，但波瓣角較寬，分辨率較低，有效功率分布距離較近，好在低頻信號(hào)有傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)；高頻大陣元模塊雖然副瓣較多，功率泄漏較大，但主波瓣角較窄，分辨率較高，有效功率分布距離較遠(yuǎn)，正好彌補(bǔ)高頻信號(hào)傳播距離較近的缺陷。

圖3 2種陣元結(jié)構(gòu)陣列模塊的波束方向圖

從式（4）中可以看出，三維立體半波天線陣列一旦確定，可調(diào)參數(shù)就只有位于三軸相鄰陣元激勵(lì)電流的相位差αx、αy和αz，其中αx主要調(diào)整波束的方位角，αy主要調(diào)整波束的有效傳播距離，αz主要調(diào)整波束的傾角，所以系統(tǒng)可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景通過(guò)各自的相移控制器分別調(diào)整αx、αy和αz，確定陣列模塊輻射波束的方向定位和強(qiáng)度。圖4 所示為在上述基本條件下，低頻8陣元和高頻32 陣元陣列模塊的相鄰陣元間相位差αx、αz與波束方向的關(guān)系曲線，其中“o”和“*”是式（4）的模擬數(shù)據(jù)，實(shí)線和虛線是與這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的直線，可以看出，相鄰陣元相位差αx、αz與波束方向的關(guān)系呈高度近似線性，系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)測(cè)量獲得觀察點(diǎn)的波達(dá)方向數(shù)據(jù)后，就可以簡(jiǎn)單地獲得αx、αz的調(diào)整數(shù)據(jù)。

圖4 陣元間相位差αx、αz與波束方向的關(guān)系

對(duì)于低頻8 陣元模塊，先分析X軸相鄰陣元相位差αx與波束方位角φ的關(guān)系。根據(jù)圖4（a）中的數(shù)據(jù)，取X軸相鄰陣元間的最小相位差αxmin=-200，產(chǎn)生的波束方位角φmin=20°，X軸相鄰陣元間的最大相位差αxmax=200，產(chǎn)生的波束方位角φmax=160°，則任意X軸相鄰陣元間的相位差αx與產(chǎn)生的波束方位角φ的線性關(guān)系可表示為：

再分析Z軸相鄰陣元間的相位差αz與波束傾角θ的關(guān)系。根據(jù)圖4（b）中的數(shù)據(jù)，取Z 軸相鄰陣元間的最小相位差αzmin=-200，產(chǎn)生的波束傾角θmin=52，Z軸相鄰陣元間的最大相位差αzmax=200，產(chǎn)生的波束傾角的最大值為θmax=128，則任意Z軸相鄰陣元間的相位差αz與產(chǎn)生的波束傾角θ的線性關(guān)系可表示為：

對(duì)于高頻32 陣元陣列模塊，先分析X軸相鄰陣元間的相位差αx與波束方位角φ的關(guān)系。根據(jù)圖4（a）中的數(shù)據(jù)，取X軸相鄰陣元間的最小相位差αxmin=-200，產(chǎn)生的波束方位角φmin=10°，X軸相鄰陣元間的最大相位差αxmax=200，產(chǎn)生的波束方位角φmax=170°，則任意X軸相鄰陣元間的相位差αx與產(chǎn)生的波束方位角φ的線性關(guān)系可表示為：

再分析Z軸相鄰陣元相位差αz與波束傾角θ的關(guān)系。根據(jù)圖4（b）中的數(shù)據(jù)，取Z軸相鄰陣元間的最小相位差αzmin=-200，產(chǎn)生的波束傾角θmin=39°，Z軸相鄰陣元間最大相位差為αzmax=200，產(chǎn)生的波束傾角最大值為θmax=141°，則任意Z軸相鄰陣元間的相位差αz與產(chǎn)生的波束傾角θ的線性關(guān)系可表示為：

可以看出，陣列模塊的傾角θ與相鄰陣元間的相位差αz的模擬數(shù)據(jù)與真線非常吻合，但方位角φ與相位差αx的模擬數(shù)據(jù)與真線存在一些誤差，特別是高頻模塊的誤差較明顯，見(jiàn)圖4（a）中“*”點(diǎn)與虛線的關(guān)系。

由于式（5）～（8）都是簡(jiǎn)單的線性方式，所以圖2中的“相移控制”電路非常簡(jiǎn)單，一定程度上降低了模塊設(shè)計(jì)的技術(shù)難度。圖5所示就是利用式（4）～（8），在已知觀察點(diǎn)波達(dá)方向的方位角和傾角后，用高頻32陣元模塊模擬出的賦形波束。給出測(cè)量值θ=120°、φ=60°和θ=70°、φ=120°，前者觀察點(diǎn)在坐標(biāo)系的左下方（見(jiàn)圖5（a）），后者觀察點(diǎn)在坐標(biāo)系右上方（見(jiàn)圖5（b））。圖5 所示的模擬輻射波束主瓣的傾角非常準(zhǔn)確，方位角有少許偏差。圖5 還給出了另一個(gè)值得關(guān)注的特點(diǎn)，即相控波束的方位角φ和傾角θ與陣元間相位差αx、αz和αy的關(guān)系，既是線性關(guān)系，又是獨(dú)立關(guān)系，實(shí)際上是一種線性疊加關(guān)系。

圖5 相移控制模擬圖

眾所周知，陣列形成的波束包括主瓣和副瓣。一般情況下，主瓣遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于副瓣，有的副瓣甚至可以忽略不計(jì)，如圖3 中的低頻8 陣元波束，有的副瓣甚至可以大于主瓣，特別是方位角或下傾角較大時(shí)產(chǎn)生的副瓣。副瓣的存在是輻射功率泄漏和產(chǎn)生鄰頻干擾的主要原因，所以副瓣越小越好。圖6 所示是陣列模塊的陣元間的相位差αx、αy、αz與輻射波束主瓣強(qiáng)度最大值的關(guān)系曲線，其中主瓣波束強(qiáng)度變小時(shí)，說(shuō)明副瓣功率泄漏較大，或者副瓣較大。若取每個(gè)陣元的輻射強(qiáng)度為單位1，則8 陣元陣列的平均強(qiáng)度為8，32 陣元陣列的平均強(qiáng)度為32，陣元越多輻射波束主瓣的強(qiáng)度隨陣元相位的變化也越大，不同陣元間相位差產(chǎn)生的影響也完全不同。

圖6 陣元間相位差與波束強(qiáng)度的關(guān)系

雖然陣元間相位差αx、αz在調(diào)整方位角、傾角時(shí)彼此獨(dú)立，互不影響，但可以影響波束的強(qiáng)度分布，即在分別調(diào)整αx、αz時(shí)，波束的波瓣角有變化，若以Y軸參考，方位角和傾角的絕對(duì)值越大，波束的功率密度越高，能量傳播的距離越遠(yuǎn)，副瓣也越小。圖6（a）曲線說(shuō)明αx取值在-150°≤αx≤150°時(shí)的波束強(qiáng)度或形狀的變化不大，圖6（b）曲線說(shuō)明αy取值在±60°～±120°時(shí)的波束強(qiáng)度或形狀分布較好，圖6（c）曲線說(shuō)明αz取值在-100°≤αz≤100°范圍內(nèi)時(shí)的波束強(qiáng)度或形狀也不錯(cuò)。根據(jù)圖4 中的曲線，αx和αz的值越大，則賦形波束的方位角和傾角也越大。所以，圖2 中的“相移控制”電路既要參考方位角和下傾角測(cè)量值，也要參考αx、αy和αz的取值范圍。

5 多頻模塊有源大規(guī)模MIMO天線分析

多頻模塊有源大規(guī)模MIMO 天線的最大特點(diǎn)是多頻模塊的多頻、標(biāo)準(zhǔn)和專用等應(yīng)用。該天線系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景適度調(diào)整使用低頻模塊或高頻模塊。對(duì)于MIMO 天線主體，陣列模塊只是用戶信號(hào)的輻射單元，因?yàn)槊總€(gè)陣列模塊中的所有陣元上的激勵(lì)電流調(diào)制的都是同一信號(hào)，每個(gè)陣列模塊只對(duì)同一信號(hào)生成波束賦形。由于陣列模塊是用戶信號(hào)輻射的單元，系統(tǒng)可以在模塊之間完成空間復(fù)用或空間分集功能，所以當(dāng)系統(tǒng)采用編碼技術(shù)獲取空間復(fù)用或空間分集增益時(shí)，每個(gè)陣列模塊中的所有陣元上都是同一個(gè)編碼。由于這些空間增益編碼只對(duì)空間復(fù)用或空間分集有用，所以每個(gè)陣列模塊執(zhí)行的波束賦形功能與各陣列模塊間執(zhí)行的空間復(fù)用和空間分集功能，理論上是沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)的，也不存在相互影響，這3個(gè)基本功能可以同時(shí)在MIMO天線中實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 大規(guī)模MIMO天線波束賦形、空間復(fù)用和空間分集示意

圖8 所示為多頻模塊有源大規(guī)模MIMO 天線結(jié)構(gòu)，天線中的陣列模塊單元有低頻模塊和高頻模塊。雖然每個(gè)陣列模塊是三維立體陣列，但MIMO 天線的輻射單元結(jié)構(gòu)是二維平面式。設(shè)MIMO 天線陣列模塊單元X軸間距為A，Z軸間距為C，X軸有N個(gè)單元，Z軸有M個(gè)單元。設(shè)陣列模塊單元由n×m×q個(gè)陣元振子組成，X軸陣元間距為a，Y軸陣元間距為b，Z軸陣元間距為c，X軸有n個(gè)陣元，Y軸有m個(gè)陣元，Z軸有q個(gè)陣元。設(shè)有移動(dòng)終端位于MIMO 天線正面P（R，θ，φ）處，其中R、θ、φ分別為P點(diǎn)的球坐標(biāo)，若以Y軸為MIMO天線平面法線，則θ是輻射單元的傾角，φ是輻射單元的方位角，R為MIMO 天線中心坐標(biāo)原點(diǎn)至P點(diǎn)的距離。據(jù)此可以研究MIMO 天線中某個(gè)輻射單元中的陣元振子d（i，j，k）對(duì)P（R，θ，φ）處終端的波束賦形。

圖8 多頻模塊有源大規(guī)模MIMO天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

設(shè)圖8 所示的多頻模塊大規(guī)模MIMO 天線架構(gòu)中的輻射單元數(shù)分為N=2、M=4，其中低頻陣列模塊中的陣元數(shù)分別為n=2、m=2、q=2，高頻陣列模塊中的陣元數(shù)分別為n=4、m=2、q=4，低頻波長(zhǎng)λ=10 cm，高頻波長(zhǎng)λ=5 cm，為保證陣元的相干性，每個(gè)模塊陣元的間距分別為a=λ/2、b=λ/4、c=0.6λ。為了保證各陣列模塊間的無(wú)關(guān)性，所有輻射單元的間距取A=B=10.25λ。設(shè)位于有源大規(guī)模MIMO 天線前面的UE1 的方位角φ0=60°、下傾角θ0=130°，接收的信號(hào)來(lái)自第2 個(gè)低頻陣列模塊。設(shè)位于有源大規(guī)模MIMO 天線前面的UE2的方位角φ0=120°、下傾角θ0=110°，接收的信號(hào)來(lái)自第7 個(gè)高頻陣列模塊。利用Matlab 和式（4）進(jìn)行仿真，可分別模擬出這2 個(gè)用戶在同一MIMO 天線下由低高頻陣列模塊發(fā)射的賦形波束，如圖9所示。

圖9 低高頻陣列模塊產(chǎn)生的歸一化賦形波束

有源陣列模塊是有源大規(guī)模MIMO 天線實(shí)現(xiàn)波束賦形的專用單元，天線振子布局可以是二維陣列，也可以是三維陣列，為了使波束賦形具有一定的獨(dú)立性，也為了提高波束賦形的快速反應(yīng)，將包括輻射功放、耦合振蕩、相控陣元和插拔接口等電路元器件，甚至是波束賦形算法芯片都直接集成到陣列模塊上，使其成為方便擴(kuò)容、維護(hù)和優(yōu)化的獨(dú)立可插拔器件。也就是說(shuō)，波束賦形的功能完全可以由有源陣列模塊獨(dú)立執(zhí)行，天線系統(tǒng)只需為其提供目標(biāo)終端的波達(dá)方向參數(shù)即可。由于有源陣列模塊中陣元的幾何位置可以按照波束賦形的理論定位，無(wú)需采用預(yù)編碼和其他補(bǔ)償技術(shù)，又由于基于波束賦形的陣元權(quán)值算法比較簡(jiǎn)單，可以固化集成，既可降低模塊的技術(shù)難度，又可減少消耗系統(tǒng)資源的軟件操作，所以有源陣列模塊可以快速執(zhí)行波束賦形功能。

有源大規(guī)模MIMO 天線在執(zhí)行空間復(fù)用和空間分集功能時(shí)，是以有源陣列模塊為輻射單元進(jìn)行的，可以將有源大規(guī)模MIMO 天線等效為傳統(tǒng)MIMO 天線，使得有源大規(guī)模MIMO 天線在執(zhí)行空間復(fù)用和空間分集功能時(shí)，借鑒、參考甚至是照搬部分傳統(tǒng)MIMO 天線的成熟技術(shù)。由于有源陣列模塊被設(shè)計(jì)為一種對(duì)其他功能沒(méi)有任何影響的可獨(dú)立執(zhí)行波束賦形功能的可插拔器件，各模塊在空間上具有不相干性，保證各自發(fā)射信道是具有獨(dú)立衰落的不相關(guān)信道，非常方便運(yùn)營(yíng)商根據(jù)熱點(diǎn)小區(qū)或密集小區(qū)的業(yè)務(wù)需求，隨時(shí)隨地靈活增加或減少有源陣列模塊，調(diào)整MIMO 天線的空間復(fù)用和空間分集應(yīng)用，滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通信要求。更可以方便更換不同頻譜工作的有源陣列模塊，以適應(yīng)5G 環(huán)境下不同應(yīng)用場(chǎng)景中不同終端設(shè)備的應(yīng)用頻率。

6 多頻模塊間相干性分析與設(shè)計(jì)

面向5G 的MIMO 天線需要支持5G 的多頻傳輸特征，這些傳輸頻率可以被分為高低頻譜2個(gè)部分，其中高頻頻譜主要傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，低頻頻譜主要傳輸信令信息和以及萬(wàn)物互聯(lián)中的短幀控制信令與專業(yè)數(shù)據(jù)等。因此，多頻模塊實(shí)際上也可分為高低頻譜2類，且工作在完全不同的領(lǐng)域。根據(jù)表1 和表2 可知，這兩大部分頻譜的差距較大，5G可用的低頻譜大多為傳統(tǒng)的、碎片化的、且頻帶有限的、被應(yīng)用后多余出來(lái)的無(wú)用小頻段，5G可用的高頻譜多為連續(xù)的、帶寬較大的、免費(fèi)或少量費(fèi)用的毫米波段頻譜。

取表2 中帶寬為1.22 GHz 的高頻段5 925～7 145 MHz作為高頻模塊所選頻點(diǎn)，取6 GHz為高頻主頻率。將表1 中8 個(gè)頻段作為低頻模塊所選頻點(diǎn)，分別取頻段中值1 783、1 878、1 910、1 968、2 158、2 395、2 528、2 673 MHz 為低頻主頻率。分析8 個(gè)低頻率與高頻率的相關(guān)系數(shù)，了解高低模塊支持的頻譜的相互性。相關(guān)系數(shù)是描述相關(guān)性一個(gè)量性比率，一般只取小數(shù)點(diǎn)后2位，其中的正負(fù)號(hào)表示相關(guān)方向，絕對(duì)值表示相關(guān)程度，但相關(guān)程度不是線性等量單位，不能用具體數(shù)值表示具體相關(guān)性，通常將2個(gè)信號(hào)的相關(guān)性劃分為4個(gè)等級(jí)，如表3所示。

表3 2個(gè)信號(hào)相關(guān)程度描述

圖10 所示為6 GHz 高頻模塊與8 個(gè)低頻模塊，當(dāng)兩者同為諧波時(shí)，高低頻率載波之間的相關(guān)性描述點(diǎn)。從圖10 可以看出，所有低頻載波與6 GHz 之間的相關(guān)性都遠(yuǎn)小于0.30，所以從頻率選擇方面，這高低頻模塊是不相關(guān)的。所以對(duì)高低頻模塊的主要影響是同頻干擾，也就是高頻模塊對(duì)高頻模塊的干擾和低頻模塊對(duì)低頻模塊的干擾。而同頻干擾主要取決于模塊生成的波束賦形效果和模塊之間的距離。

圖10 高頻信號(hào)與低頻信號(hào)的相關(guān)性

在多頻模塊中，相對(duì)于MIMO 天線來(lái)講，每個(gè)專用模塊的具體職能是完成同一個(gè)信號(hào)的波束賦形功能。模塊由陣元和與其集成專門(mén)控制陣元相位和幅度的控制元器件組成，除了技術(shù)成熟的相控元件，模塊中各陣元間的相干性或相關(guān)性是模塊設(shè)計(jì)的技術(shù)重點(diǎn)。首先，各陣元發(fā)射的信號(hào)是同一信號(hào)，但各陣元信號(hào)的相位和振幅不同，由相控元、權(quán)值元控制每個(gè)陣元。其次，模塊中的陣元陣列多為三維，每個(gè)模塊的最小陣列是2×2×2，最大陣列可根據(jù)具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而定，一般來(lái)講，半波天線陣元間距的最大取值一般為0.6λ～0.8λ，最小值為λ/4～λ/2，盡量取相關(guān)性距離，并在每個(gè)模塊底和四側(cè)加上屏幕層，使每個(gè)模塊產(chǎn)生的波束賦形效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

相對(duì)于MIMO 天線陣列中的空間分集和空間復(fù)用功能應(yīng)用，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的多少確定由多少模塊組合分配，每組模塊由系統(tǒng)根據(jù)多天線編碼（如空時(shí)塊碼STBC），對(duì)不同模塊上的信號(hào)采用不同編碼（單個(gè)模塊中所有陣元上的信號(hào)和編碼相同），從而實(shí)現(xiàn)多模塊發(fā)送信號(hào)的空間分集和空間復(fù)用的增益效果。相對(duì)于多模塊實(shí)現(xiàn)空間分集和空間復(fù)用功能，各模塊間的非相干性或無(wú)關(guān)性是MIMO 天線的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。首先，各模塊間的設(shè)計(jì)只需采用二維排列方式，既可降低多模塊間架構(gòu)的復(fù)雜度，又可降低MIMO 天線架構(gòu)的厚度。其次，所有模塊間距都應(yīng)在10.2λ左右，盡量取無(wú)關(guān)性距離。最后，高低頻模塊布局間隔排列，如圖11 所示，不僅可以拉開(kāi)同頻模塊間的有效距離A與C，還方便不同模塊在MIMO天線底盤(pán)上的架構(gòu)布局。

圖11 MIMO天線的多頻模塊位置

7 結(jié)束語(yǔ)

任何陣列都會(huì)產(chǎn)生副瓣，一維平行振子陣列的主副瓣分別位于陣列前后，大小相同；二維平面半波天線陣列的主副瓣與平行振子陣列相似，僅僅水平波瓣角和垂直波束角較?。蝗S立體半波天線陣列通過(guò)改變?chǔ)羪值，利用前后振子發(fā)射的電磁波在Y軸方向的相干性，將副瓣能量盡可能多地轉(zhuǎn)移到主瓣，使主瓣的輻射功率密度更大，波束更窄，使有限的信號(hào)輻射功率能夠傳播得更遠(yuǎn)、更準(zhǔn)確。因受厚度限制，低頻陣列模塊的Y軸上只能分布2 個(gè)陣元，高頻陣列模塊最多只能有4 個(gè)陣元，所以αy的調(diào)整能力非常有限。由于副瓣一般與主瓣反向分布，為了防止或降低副瓣對(duì)相鄰模塊的干擾，設(shè)計(jì)時(shí)，把每個(gè)模塊除正面外的其他5 面涂上吸波材料或加上反射罩，也可以使陣元稍微陷入模塊中，如圖1（e）所示，使其可以達(dá)到有效約束副瓣產(chǎn)生不良影響的目的。

由于陣元相鄰相位差的調(diào)整也可以影響輻射波束的強(qiáng)度和形狀，圖2 中的“幅度控制”只需對(duì)整個(gè)模塊操作，當(dāng)然可以將幅度控制與每個(gè)陣元的加權(quán)電路相結(jié)合，既可以簡(jiǎn)化部件，又可以全面修正波束賦形。理論上，電磁場(chǎng)在自由空間的分布是彌散性的充滿整個(gè)可以到達(dá)的地方，僅僅只是電磁場(chǎng)分布的強(qiáng)度、方向不同。波束成形技術(shù)可以人為地根據(jù)自己的需要改變電磁場(chǎng)的分布形狀，使輻射電磁場(chǎng)的主要能量可以分布在一個(gè)較窄的指定區(qū)域，通過(guò)提高輻射電磁場(chǎng)在指定區(qū)域的功率密度和定向傳播，可以有效地降低輻射信號(hào)對(duì)非指定區(qū)域信號(hào)的干擾，利用輻射波束的高能量密度和較低的輻射功率傳播信號(hào)，提高無(wú)線信道傳輸質(zhì)量。通過(guò)更換不同頻譜的有源陣列模塊，可以使陣列模塊的波束賦形達(dá)到最佳，能夠極大地適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要。

檢測(cè)移動(dòng)終端的波達(dá)方向的技術(shù)是一項(xiàng)已在3G、4G 通信廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。波達(dá)方向的方位角φ和傾角θ與陣元間相位差αx和αz呈線性關(guān)系，陣列模塊相控電路相對(duì)簡(jiǎn)單，這為模塊中增加本地載波調(diào)制、射頻功放等功能提供了可能，從而降低了多頻有源陣列模塊的技術(shù)難度，也方便了多頻有源陣列模塊對(duì)多頻場(chǎng)景的應(yīng)用。