小型化MIMO基站天线技术
周龑
【摘 要】4G建设的深入发展以及未来5G建设的实际需要，使得天线小型化显得越来越重要。对MIMO天线小型化的辐射单元小型化、馈电网絡小型化、阵列方案小型化进行了研究，分析了一些具体的实现方法，最后总结了相关技术的应用场景以及未来的发展趋势。
【关键词】MIMO天线；分频馈电；有源天线；辐射单元效率
1 引言
随着4G的深入发展以及5G时代的到来，运营商运营的系统数量越来越多，天面资源紧张成为一个突出的问题，必须要缩小天面占用的体积，而缩小天面体积的重要方向是天线的小型化。
本文首先分析了天面小型化的必要性，因为天面资源的紧张要求天线必须实现小型化；其次对天线小型化的具体措施进行了研究，主要研究了辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化等几个方面，也对几种综合的小型化技术进行了研究；最后总结归纳了基站天线小型化的关键点。
2 基站天线小型化的必要性
2.1 减少风阻，降低建设成本
天线小型化以后，风载面积降低。对制造商而言，减小尺寸和重量，可以降低包装成本，节约运输成本；对运营商而言，可以降低对基站铁塔的强度要求，进而使建设支出减少。
2.2 节约天面资源
4G网络以及现存的2G、3G网络，几乎所有的移动通信网络运营商都面临着同时运营多个不同频段网络的情况，这不可避免地出现需要使用多副天线的场景。小型化的基站天线在布置空间、风载等方面均具有巨大的优势，可以有效地节约目前日趋紧张的天面资源。
2.3 实现微基站的灵活布置
随着数据流量业务需求增加，基站数量也不可避免地增加，许多场景需要使用微基站进行流量分流，这种场景下，小型化基站可以有效地加快部署速度。
2.4 进行天线美化
天线小型化以后可以有效地降低美化难度，美化的形式可以更加多样化，有效地降低了运营商建站物业协调的难度，加快了4G建设的速度。
3 基站天线小型化的实现方式
基站天线小型化的方向主要有辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化等几个方面。不同的实现方式都是在一定的限制条件下，多种小型化解决方案的结合。
3.1 辐射单元小型化设计
一般辐射单元设计采用四分之一波长的巴伦高度，通过优化辐射单元及对应的辐射边界，可以降低辐射单元高度，可从λ/4下降到λ/8。主要采用振子片连接技术及馈电自消技术，这样可以克服以前必须要求馈电座高度四分之一波长的限制，从而实现八分之一甚至更矮的馈电高度情况下对称振子的辐射特性。这种仅适合带宽较窄的PCB辐射单元。辐射单元尺寸直接决定于单元的电长度，而不同介质对于特定频率的电磁响应是不同的，采用介质的介电常数越高，固定电长度对应的物理尺寸就越小，对于基站天线批量使用的压铸阵子而言，巴伦高度仅缩小约25%。图1左侧为优化前的辐射单元，图1右侧为优化后的小型化辐射单元，巴伦高度和辐射面尺寸有明显缩小。表1为优化前后单个辐射单元方向图仿真结果对比，可以看出方向图指标相当。对应的阵列天线整机由截面尺寸（宽和高）320 mm×110 mm缩小为250 mm×60 mm，迎风面积同比缩小45%，基站天线端面优化前后对比图如图2所示。
3.2 馈电网络小型化设计
对于应用广泛的电调基站天线而言，关键的电调下倾角模块是移相器。传统移相器的原理之一是改变移相单元的物理长度，即ΔL，这种形式的移相器的尺寸和移相量成线性比例关系，主要形式是腔体移相器、PCB移相器及部分空气带状线移相器。传统移相器一般使用改变物理长度的方法实现移向，稳定而线性改变材料介电常数非常困难，而新型移相器由于采用了新型的介质材料，材料介电性能积极稳定，可采用改变物理长度和介电常数εe两种方案同时进行移相，其主要实现形式是介质移相器。根据公式（1），在天线下倾角一定，即需要的相位差Δφ确定的条件下，若采用高介电常数介质εe，就可以实现ΔL减小，即可实现移相器体积的小型化，这样可以在一定程度上降低天线的厚度。其中Δφ是天线下倾所需要的移相量，φA表示移相器在状态A处的绝对相位，φB表示在状态B处的绝对相位，εe1、εe2分别对应于不同状态处的介电常数，ΔL是物理距离的变化量。图3是新型移相器的仿真模型图，采用带状线实现，绿色部分表示高介电常数的介质板，红色部分表示带状线电路，移动板材可以实现改变相位的功能。
（1）
3.3 阵列方案小型化设计
共轴嵌套技术是阵列方案小型化的典型设计形式之一。共轴嵌套技术是天线辐射单元共轴嵌套技术在多频天线的设计中将不同频段的辐射单元（通常是频率较低的CDMA800或GSM900与频率较高的WCDMA2000或LTE）进行重叠布置，如图4所示，黄色的辐射单元频率较高，红色的辐射单元频率较低。与图5所示并排布置辐射单元的天线阵列常规方案相比，该方案显著提高了多频天线内部空间的利用率，使天线的宽度压缩30%以上。此外，天线辐射单元共轴嵌套的多频天线还具有水平波宽偏移小，方向图畸变小等优点，且可以节约反射板等物料成本。但与并排布置方案相比，其设计及实现难度更高，而且需要实现馈电网络及传动结构的小型化，这对厂家的技术能力提出了更高的要求。而图6是采用了共轴嵌套技术开发的四频八端口基站天线的实物图，显然尺寸更小，但结构复杂度更高。
3.4 多种小型化综合技术
辐射单元复用技术是多种小型化技术的一个综合技术。共辐射单元分频馈电技术是通过合路单元将频谱有间隔的子频段的两个馈电网络信号进行合路复用到同一个辐射单元，在一个宽频带天线中实现多个窄频段天线的功能，进而实现天线的小型化。实现的前提是辐射单元可支持宽频带辐射特性，且馈电网络及传动结构也必须实现小型化。如图7所示，分别在1 710 MHz—1 920 MHz和2 575 MHz—2 635 MHz的两个子频段设计馈电网络及移相器，利用合路器分别将工作在这两个子频段的馈电网络合路输出到工作在1 710 MHz—2 700 MHz频段的宽频辐射单元，在单频两端口双极化天线的物理空间内实现了FA频段和D频段的双频四端口天线的功能，并可以实现FA频段和D频段独立下倾角调节，将四端口电调天线的宽度缩窄了约50%，实际研发的产品如图8所示，辐射单元只有一列，采用PCB合路单元进行插接馈电，馈电网络中有两路不同频段的移相器，通过调节不同的移相器实现不同频段下倾角的独立调节。实现了双频四端口的覆盖效果，减少了辐射单元的数量，从而缩窄了整机宽度，减轻了整机重量。
3.5 提高辐射单元效率
以上四种技术方法具有一定的局限性，这是因为阵列天线的阵元个数和阵元间距是决定方向图特性的重要参数，因此以上几种方法只可以有效地降低基站天线的宽度和厚度，但是对于降低天线长度的作用并不大，而在大部分应用场景中，网络建设者更为关注天线的长度。
依据阵列天线的方向图乘积定理，如公式（2），阵列的方向图的F（θ， φ）指标取决于单个辐射单元方向图F0（θ， φ）和阵因子F1（θ， φ）。而要改变阵列天线的长度，只有改变单元的方向图F0（θ， φ）和阵列因子F1（θ， φ）。而阵因子F1（θ， φ）是与阵元数量和间距有关系的，只能通过增加天线阵元的个数以提高天线的方向性，进而提高天线增益，即相同频段相同波束宽度的条件下，天线增益越高，需要的天线长度越长。因此，若要改变天线的长度，主要依赖改变单元本身的辐射特性F0（θ， φ）。
F（θ， φ） = F0（θ， φ） ×F1（θ， φ） （2）
目前可采用增加辐射单元等效口径、增加辐射单元增益的方式来改变辐射单元的方向图F0（θ， φ），可以保证在F（θ， φ）不变的情况下，改变阵因子F0（θ， φ），从而达到减小单元数量的目的，进一步减小整机长度。另外也可采用PCB辐射单元的多层微带叠片的辐射基理，感应电流寄生辐射，提高天线阵元的多频辐射效率，从而提升单个辐射单元不同频率的增益，进而有效地减少阵元数量，达到缩短基站天线长度的目的。
3.6 有源一体化天线
有源天线可以将RRU和基站天线紧密集合在一起，合理利用天线内部空闲空间安放RRU的各个模块，实现天线和RRU的一体化，进一步压缩天馈系统占用的总空间，同时降低连接损耗，减少功率损失，弥补部分小型化导致的增益下降。5G系统由于波束赋型的需要天线阵子可能直接连接后端射频链路，减少了馈线和连接器等占用的面积，天线体积减少1/3以上。
随着Massive MIMO技术的不断发展，未来Massive MIMO技术必将得到广泛应用，天线小型化有利于阵列天线的安装部署。频段升高，基站数量增加也必将加强有源一体化天线的普及趋势，一体化基站子系统将会被广泛地应用。
4 结束语
本文主要对辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化等几个方面的小型化做了一定的研究。现阶段辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化在目前的多制式频段天线中应用很多，也是目前实现天线小型化的主要技术。随着未来5G天线的发展，大规模阵列天线的应用，天线将更加复杂，未来辐射单元小型化和阵列组合小型化会成为更受关注的研究方向。
参考文献：
[1] 吴坚林. 新一代无线移动通信中的全向天线与MIMO多天线技术研究[D]. 成都： 电子科技大学， 2016.
[2] 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.
[3] 尤肖虎，潘志文，高西奇. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 中国科学：信息科学， 2014，44（5）： 551-563.
[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] 汪茅光，吕善伟. 阵列天线分析与综合[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 1989.
[6] 汪茂稳，周恒，郭宝平. 一种新颖的宽频带双极化基站单元天线研究[J]. 现代雷达， 2014，36（4）： 56-60.
[7] 馮彬，张钦欣. 小型化基站天线的发展与研究[J]. 电信技术， 2012（S2）： 67-69.
[8] 滕碧红. 智能天线技术在移动通信中的应用[J]. 通信电源技术， 2012（2）： 61-62.
[9] 王建伟. 基站建设及基站天线的研究[J]. 电子设计工程， 2010（11）： 189-192.
[10] 王永巍，姜兴. 用于MIMO系统双极化基站端多天线的设计[J]. 电子技术应用， 2010（10）： 95-98.
【摘 要】4G建设的深入发展以及未来5G建设的实际需要，使得天线小型化显得越来越重要。对MIMO天线小型化的辐射单元小型化、馈电网絡小型化、阵列方案小型化进行了研究，分析了一些具体的实现方法，最后总结了相关技术的应用场景以及未来的发展趋势。
【关键词】MIMO天线；分频馈电；有源天线；辐射单元效率
1 引言
随着4G的深入发展以及5G时代的到来，运营商运营的系统数量越来越多，天面资源紧张成为一个突出的问题，必须要缩小天面占用的体积，而缩小天面体积的重要方向是天线的小型化。
本文首先分析了天面小型化的必要性，因为天面资源的紧张要求天线必须实现小型化；其次对天线小型化的具体措施进行了研究，主要研究了辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化等几个方面，也对几种综合的小型化技术进行了研究；最后总结归纳了基站天线小型化的关键点。
2 基站天线小型化的必要性
2.1 减少风阻，降低建设成本
天线小型化以后，风载面积降低。对制造商而言，减小尺寸和重量，可以降低包装成本，节约运输成本；对运营商而言，可以降低对基站铁塔的强度要求，进而使建设支出减少。
2.2 节约天面资源
4G网络以及现存的2G、3G网络，几乎所有的移动通信网络运营商都面临着同时运营多个不同频段网络的情况，这不可避免地出现需要使用多副天线的场景。小型化的基站天线在布置空间、风载等方面均具有巨大的优势，可以有效地节约目前日趋紧张的天面资源。
2.3 实现微基站的灵活布置
随着数据流量业务需求增加，基站数量也不可避免地增加，许多场景需要使用微基站进行流量分流，这种场景下，小型化基站可以有效地加快部署速度。
2.4 进行天线美化
天线小型化以后可以有效地降低美化难度，美化的形式可以更加多样化，有效地降低了运营商建站物业协调的难度，加快了4G建设的速度。
3 基站天线小型化的实现方式
基站天线小型化的方向主要有辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化等几个方面。不同的实现方式都是在一定的限制条件下，多种小型化解决方案的结合。
3.1 辐射单元小型化设计
一般辐射单元设计采用四分之一波长的巴伦高度，通过优化辐射单元及对应的辐射边界，可以降低辐射单元高度，可从λ/4下降到λ/8。主要采用振子片连接技术及馈电自消技术，这样可以克服以前必须要求馈电座高度四分之一波长的限制，从而实现八分之一甚至更矮的馈电高度情况下对称振子的辐射特性。这种仅适合带宽较窄的PCB辐射单元。辐射单元尺寸直接决定于单元的电长度，而不同介质对于特定频率的电磁响应是不同的，采用介质的介电常数越高，固定电长度对应的物理尺寸就越小，对于基站天线批量使用的压铸阵子而言，巴伦高度仅缩小约25%。图1左侧为优化前的辐射单元，图1右侧为优化后的小型化辐射单元，巴伦高度和辐射面尺寸有明显缩小。表1为优化前后单个辐射单元方向图仿真结果对比，可以看出方向图指标相当。对应的阵列天线整机由截面尺寸（宽和高）320 mm×110 mm缩小为250 mm×60 mm，迎风面积同比缩小45%，基站天线端面优化前后对比图如图2所示。
3.2 馈电网络小型化设计
对于应用广泛的电调基站天线而言，关键的电调下倾角模块是移相器。传统移相器的原理之一是改变移相单元的物理长度，即ΔL，这种形式的移相器的尺寸和移相量成线性比例关系，主要形式是腔体移相器、PCB移相器及部分空气带状线移相器。传统移相器一般使用改变物理长度的方法实现移向，稳定而线性改变材料介电常数非常困难，而新型移相器由于采用了新型的介质材料，材料介电性能积极稳定，可采用改变物理长度和介电常数εe两种方案同时进行移相，其主要实现形式是介质移相器。根据公式（1），在天线下倾角一定，即需要的相位差Δφ确定的条件下，若采用高介电常数介质εe，就可以实现ΔL减小，即可实现移相器体积的小型化，这样可以在一定程度上降低天线的厚度。其中Δφ是天线下倾所需要的移相量，φA表示移相器在状态A处的绝对相位，φB表示在状态B处的绝对相位，εe1、εe2分别对应于不同状态处的介电常数，ΔL是物理距离的变化量。图3是新型移相器的仿真模型图，采用带状线实现，绿色部分表示高介电常数的介质板，红色部分表示带状线电路，移动板材可以实现改变相位的功能。
（1）
3.3 阵列方案小型化设计
共轴嵌套技术是阵列方案小型化的典型设计形式之一。共轴嵌套技术是天线辐射单元共轴嵌套技术在多频天线的设计中将不同频段的辐射单元（通常是频率较低的CDMA800或GSM900与频率较高的WCDMA2000或LTE）进行重叠布置，如图4所示，黄色的辐射单元频率较高，红色的辐射单元频率较低。与图5所示并排布置辐射单元的天线阵列常规方案相比，该方案显著提高了多频天线内部空间的利用率，使天线的宽度压缩30%以上。此外，天线辐射单元共轴嵌套的多频天线还具有水平波宽偏移小，方向图畸变小等优点，且可以节约反射板等物料成本。但与并排布置方案相比，其设计及实现难度更高，而且需要实现馈电网络及传动结构的小型化，这对厂家的技术能力提出了更高的要求。而图6是采用了共轴嵌套技术开发的四频八端口基站天线的实物图，显然尺寸更小，但结构复杂度更高。
3.4 多种小型化综合技术
辐射单元复用技术是多种小型化技术的一个综合技术。共辐射单元分频馈电技术是通过合路单元将频谱有间隔的子频段的两个馈电网络信号进行合路复用到同一个辐射单元，在一个宽频带天线中实现多个窄频段天线的功能，进而实现天线的小型化。实现的前提是辐射单元可支持宽频带辐射特性，且馈电网络及传动结构也必须实现小型化。如图7所示，分别在1 710 MHz—1 920 MHz和2 575 MHz—2 635 MHz的两个子频段设计馈电网络及移相器，利用合路器分别将工作在这两个子频段的馈电网络合路输出到工作在1 710 MHz—2 700 MHz频段的宽频辐射单元，在单频两端口双极化天线的物理空间内实现了FA频段和D频段的双频四端口天线的功能，并可以实现FA频段和D频段独立下倾角调节，将四端口电调天线的宽度缩窄了约50%，实际研发的产品如图8所示，辐射单元只有一列，采用PCB合路单元进行插接馈电，馈电网络中有两路不同频段的移相器，通过调节不同的移相器实现不同频段下倾角的独立调节。实现了双频四端口的覆盖效果，减少了辐射单元的数量，从而缩窄了整机宽度，减轻了整机重量。
3.5 提高辐射单元效率
以上四种技术方法具有一定的局限性，这是因为阵列天线的阵元个数和阵元间距是决定方向图特性的重要参数，因此以上几种方法只可以有效地降低基站天线的宽度和厚度，但是对于降低天线长度的作用并不大，而在大部分应用场景中，网络建设者更为关注天线的长度。
依据阵列天线的方向图乘积定理，如公式（2），阵列的方向图的F（θ， φ）指标取决于单个辐射单元方向图F0（θ， φ）和阵因子F1（θ， φ）。而要改变阵列天线的长度，只有改变单元的方向图F0（θ， φ）和阵列因子F1（θ， φ）。而阵因子F1（θ， φ）是与阵元数量和间距有关系的，只能通过增加天线阵元的个数以提高天线的方向性，进而提高天线增益，即相同频段相同波束宽度的条件下，天线增益越高，需要的天线长度越长。因此，若要改变天线的长度，主要依赖改变单元本身的辐射特性F0（θ， φ）。
F（θ， φ） = F0（θ， φ） ×F1（θ， φ） （2）
目前可采用增加辐射单元等效口径、增加辐射单元增益的方式来改变辐射单元的方向图F0（θ， φ），可以保证在F（θ， φ）不变的情况下，改变阵因子F0（θ， φ），从而达到减小单元数量的目的，进一步减小整机长度。另外也可采用PCB辐射单元的多层微带叠片的辐射基理，感应电流寄生辐射，提高天线阵元的多频辐射效率，从而提升单个辐射单元不同频率的增益，进而有效地减少阵元数量，达到缩短基站天线长度的目的。
3.6 有源一体化天线
有源天线可以将RRU和基站天线紧密集合在一起，合理利用天线内部空闲空间安放RRU的各个模块，实现天线和RRU的一体化，进一步压缩天馈系统占用的总空间，同时降低连接损耗，减少功率损失，弥补部分小型化导致的增益下降。5G系统由于波束赋型的需要天线阵子可能直接连接后端射频链路，减少了馈线和连接器等占用的面积，天线体积减少1/3以上。
随着Massive MIMO技术的不断发展，未来Massive MIMO技术必将得到广泛应用，天线小型化有利于阵列天线的安装部署。频段升高，基站数量增加也必将加强有源一体化天线的普及趋势，一体化基站子系统将会被广泛地应用。
4 结束语
本文主要对辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化等几个方面的小型化做了一定的研究。现阶段辐射单元小型化、馈电网络小型化、阵列方案小型化在目前的多制式频段天线中应用很多，也是目前实现天线小型化的主要技术。随着未来5G天线的发展，大规模阵列天线的应用，天线将更加复杂，未来辐射单元小型化和阵列组合小型化会成为更受关注的研究方向。
参考文献：
[1] 吴坚林. 新一代无线移动通信中的全向天线与MIMO多天线技术研究[D]. 成都： 电子科技大学， 2016.
[2] 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.
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[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.
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[6] 汪茂稳，周恒，郭宝平. 一种新颖的宽频带双极化基站单元天线研究[J]. 现代雷达， 2014，36（4）： 56-60.
[7] 馮彬，张钦欣. 小型化基站天线的发展与研究[J]. 电信技术， 2012（S2）： 67-69.
[8] 滕碧红. 智能天线技术在移动通信中的应用[J]. 通信电源技术， 2012（2）： 61-62.
[9] 王建伟. 基站建设及基站天线的研究[J]. 电子设计工程， 2010（11）： 189-192.
[10] 王永巍，姜兴. 用于MIMO系统双极化基站端多天线的设计[J]. 电子技术应用， 2010（10）： 95-98.
