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5G移动通信的关键技术大规模天线系统的架构详细说明
刘洋
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本文针对第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。人类社会对信息数据传输的巨大需求推动着通信技术的不断向前发展，每一次移动通信的升级，对应了下行速率约10倍的提升。作为5G关键技术之一的大规模天线技术，在基站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）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［1-3］。目前，针对5G大规模天线的研究还未形成统一的行业标准或国家标准，处于定制化开发满足5G系统应用时期，产品形态和方案等各有不同。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。
1、5G大规模天线系统结构
如图1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藕影响，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RF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。
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