收稿日期：2018-08-30
Discussion on 5G Large-scale Array Antenna System Architecture
Communications
针对第5代移动通信的关键技术之一-大规模阵列天线，提出一种天线系统架构，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。并对5G 大规模天线系统的每个组成部分进行详细介绍，对在技术开发过程中会遇到的技术难题提出解决措施建议，在此基础上，探讨后续5G 大规模天线的发展趋势和优化方向。 大规模天线；密集辐射阵；功分网络
The large scale array antenna is the one of the key technologies of the fi fth generation (5G) communication systems. In this paper, a novel antenna system architecture is proposed which comprises of dense radiation arrays, power division networks, coupled calibration networks, blind plug connectors and transceiver units. All components of the 5G large scale array antenna systems are described in detail. The solution to technical problems in the technical development process is present
ed. At last, the development trends and optimization directions of 5G large scale antenna systems are analyzed.
large-scale array antenna; dense radiation arrays; power division network
（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 430000）
(Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co., Ltd., Wuhan 430000, China)
【摘 要】【关键词】骆胜军，张申科
LUO Shengjun, ZHANG Shenke
制备乙酸乙酯的装置
[Abstract]
[Key words]
1 引言
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，对应着，下行速率约会有10倍的提升。大规模天线技术是5G 关键技术之一，是指在端布置几十甚至
上百个天线规模的天线阵，通过波束成形（Beam Forming ）doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.03.013 中图分类号：TN929. 5文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2019)03-0070-05
引用格式：骆胜军，张申科. 5G大规模天线系统架构探讨[J]. 移动通信, 2019,43(3): 70-74.
OSID ：
扫描二维码与作者交流
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[1-4]。从具体网络功能要求上来说，IMT-2020（5G ）推进组定义了5G 的四个主要的应用场景：连续广覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是本文探
验光组合台讨的5G 大规模阵列天线的主要应用场景。
目前公布的5G 大规模天线系统比较著名的有美国莱斯大学、贝尔实验室和耶鲁大学联合开发的工作于2.4 GHz 频段的Argos 天线系统（如图1所示）以及2015年中兴通讯开发的基于TDD 的Pre5G Mass压延加工
ive MIMO 天线系统（如图2所示）。随着我国5G 商用的提速，为满足5G 系统阶段实验的需要，各设备商定制开发5G 大规模天线配合整机AAU 系统以满足外场实验和运营商小规模建网需求。国内外知名天线厂家也先后在各大通信展会展示其5G 大规模天线的最新成果，产品形态各有特点。本文作者根据多年的研究成果，提出一种工作于Sub-6G 的5G 大规模天线的系统架构，并对其各系统组成部分进行介绍。
2 5G 大规模天线系统结构
如图3所示，展示一种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。为减低密集组阵的互耦合影响，提升各射频通道的方向图一致性和端口隔离度，密集辐射阵中设计有去耦装置。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。射频通道包括单元模块、功分网络和盲插型连接器。在射频通道数确定的情况下，单元模块的增益，单元模块之间的横、纵向间距决定了大规模天线整机的增益。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，实现对该射频通道的幅相信息进行精确检测。耦合校准的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。这样，整个5G 天线系统的工作原理就是：天线射频通道（包括多个辐射单元组成的单元模块）实现无线传输信号的收发；收发单元实现对射频通道R F 信号发射和接受；耦合校准网络实现对收发单元发射到每个射频通道的发射功率和相位的监测。这样，系统赋型算法通过调节收发单元激励到每个单元模块（射频通道）的幅相权值配置实现大规模天线的精准3维波束方向图和3维扫描。要实现上述5G 大规模天线功能，需对其各结构组成部分的性能指标进行精确设计。
图3 5G 大规模天线系统架构图
3 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d x 和纵向间距d y 组阵，中间辅以去耦装置，其设计需要考虑下面几个因素：
（1）辐射单元的结构形式：辐射单元的需要小型化设计，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；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。如图4
（a
）所示为普通设计的铝合金半波振子，振子基材为铝合金压铸，辐射体和馈
图1 Argos 天线系统
图2 中兴Pre5G Massive
MIMO 天线系统
电片分离，辐射体和馈电片分别通过焊接固定在功分网络上。如图4（b ）所示为改良设计的基于LCP （Liquid Crystal Polymer ，液晶聚合物）基材[5-6]，采用3D-MID 技术（Three-dimensional Molded Interconnect Device ，三维模塑互连器件，简称共形电路）[7]，通过L D S （Laser Direct Structuring ，激光直接成型）工艺加工成型的微带辐射单元[8]，具有轻量化（重量只有铝合金振子的30%）、辐射馈电一体化、全对称天然防呆、装配效率高等特点，非常适合大规模天线应用。
（a）铝合金半波振子
（b）LCP微带振子
图4 铝合金半波振子和LCP 微带振子
（2）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°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，一般5G 大规模天线的纵向间距＜0.8λ。图5展示了由96个LCP 双极化微带辐射振子组成的密集阵列：
（3）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3所示的96单元密集阵列中各列辐射单元之间就有设置
4 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，表1分析了在单元模块预制为0°/3°/6°等三种倾角时，以96单元阵列为例，整机天线在不同垂直倾角时的增益表现。
图5 96单元密集阵列
表1 单元模块预制不同倾角时整机天线垂直扫描不同倾角时
的增益表现
单元模块
倾角/(°)不同下倾角时天线增益/dBi 垂直-7°垂直0°垂直6°垂直11°
垂直19°025.926.625.224.820.4325.226.626.525.522.36
24.2
26.3
26.6
26.2
23.8
从表1里面可以看出，在大下倾扫描时，单元模块预制6°下倾的增益优势非常明显。考虑5G 密度增加，单个覆盖范围减少，天线挂高等因素，其工作状态更多处于下倾角较大的情况，因此对5G 大规模天线的单元模块设置一定的预制倾角有利于其实际应用。
5G 大规模天线的辐射单元，需电连接在功分网络电路上，一般将功分网络设计为双面微带PCB 结构或四层板带状线结构，图7展示了单元模块固定在双面微带功分板PCB 上的情况：
图7 功分网络示意图
5 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，如图8所示的耦合校准网络校准原理图，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，实现对N 个射频通道的校准。
耦合校准网络要实现对收发组件输入到射频通道的信号检测和校准，首先其自身的幅相一致性要平稳，这对耦合校准网络的设计和加工提出了非常高的
要求，耦合校准网络幅相一致性问题也是5G 大规模天线要解决的核心技术难题。首先，其校准电路要求设计为多层板结构的带状线传输线结构，避免外来信号对校准电路自身信号的干扰；其次，校准电路本身同级电路和上下级电路之间也要做好信号屏蔽；最后，耦合校准网络的PCB 加工质量，包括压板精度、线宽线隙、蚀刻因子等做好控制。只有做到以上几点，才能保证校准网络自身幅相的一致性，才能有效检测收发组件的输入信号信息。
6 盲插型连接器
盲插型连接器分别电连接在天线射频通道的输入端和收发组件的输出端口，结构上要做精确的设计定
位，实现天线输入端和收发组件信号输出端口的盲插连接。盲插型连接器的种类和形式较多，可以自由选型，目的都在于实现天线射频通道和收发组件的便捷
连接。
7 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，5G 大规模天线将天线变成了一体化有源天线A A U （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
图8 耦合校准网络校准原理图
线的精准3维波束方向图和3维扫描。
8 天线整机实现及指标情况
按照上述5G 大规模天线系统架构及部件设计思路进行了3.5 GHz 单元64通道大规模天线整机设计，如图9所示。天线样机工作于3 400 MHz —3 600 MHz 频段，通道驻波≤1.4，端口隔离度≥25，耦合校准参数波动小，能实现水平±60°和垂直±20°的波束扫描，同时实现轻量化目标，天线重量≤3 kg ，指标实现情况良好，很好地配合了设备商的5G 系统实验。
图9 大规模天线实物样机
9 结束语
本文介绍了一种5G 大规模天线的系统组成，并对天线的关键组成部分的设计提出解决思路，最后对天线整机的实现和指标实现情况进行了介绍。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 大规模天线如何更好地服务系统需求，还需在以下方面做进一步的努力和提升：（1）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；（2）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；（3）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。
参考文献：
[1] Su Xing, Zeng Jie, Rong Liping. Investigation on
混凝土细骨料
key technologies in large-scale MIMO[J]. Journal of Computer Science and Technology, 2013.
[2] Chockalingam A, Sundar Rajan B. Large MIMO
systems[M]. Cambridge University Press, 2014.
[3] 王东明，张余，魏浩，等. 面向5G 的大规模天线无线传输
理论与技术[J]. 中国科学: 信息科学, 2016,46(1): 3-21.[4] 鲁照华，张晓丹，肖华华. 大规模天线阵列系统技术探析
[J]. 电视技术, 2014,38(5): 132-135.
[5] 付冬升，张康助. 液晶高聚物的合成及应用最新进展[J].
化学推进剂与高分子材料, 2003(3): 18-23.
[6] 钟阳，曾汉民. 液晶高聚物的原位复合材料及纤维复合
材料[J]. 化工新型材料, 1993(9): 7-9.
[7] 李梅竹. 3D-MID 技术在电子产品天线制造领域的应用
飘窗的制作[J]. 机械制造, 2015,53(11): 45-47+51.
[8] 张范琦，项铁铭，王龙龙. 基于ＬＤＳ工艺的多频段手
机天线设计[J]. 杭州电子科技大学学报: 自然科学版, 2015,35(2): 13-15.
[9] Gao Tufvesson F, Edfors O. Measured propagation
characteristics for very-large MIMO at 2.6 GHz[C]//USA: the 46th Annual Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, 2012.
[10] 许森，张光辉，曹磊. 大规模多天线系统的技术展望[J].
电信技术, 2013(12): 25-28.
[11] 栾帅，冯毅，张涛，等. 浅析大规模MIMO 天线设计及对
5G 系统的影响
[J]. 邮电设计技术, 2016(7): 28-32.★
骆胜军（/0000-0003-4301-4026）：毕业于西安电子科技大学，现任武汉虹信通信技术有限责任公司技术总监，主要从事移动通信天线技术和产品开发工作。
张申科：毕业于西安电子科技大学，现任武汉虹信通信技术有限责任公司副总经理
，主要从事无线通信天线技术研究和标准化工作
鼠标垫制作
。
作者简介
