【摘 要】
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随着第五代（5th-Generation,5G）移动通信技术的不断成熟和发展,5G的大规模部署和商用正在全世界如火如荼的进行着。5G的一个重要应用场景是面向“海量物联”的超大规模连接场景,5G强大的连接能力可以快速促进各垂直行业的深度融合,如建设智慧城市、实现车联网、构建无人机联网平台等。这种全场景的通信背景对通信系统的覆盖能力提出了新的需求,需要系统具有更广和更加灵活的全空域波束覆盖能力。陆地基
【基金项目】
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国家重点研发计划“面向基站的大规模无线通信新型天线与射频技术”子课题-“立体覆盖大规模阵列天线”（2018YFB1801602）
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随着第五代（5th-Generation,5G）移动通信技术的不断成熟和发展,5G的大规模部署和商用正在全世界如火如荼的进行着。5G的一个重要应用场景是面向“海量物联”的超大规模连接场景,5G强大的连接能力可以快速促进各垂直行业的深度融合,如建设智慧城市、实现车联网、构建无人机联网平台等。这种全场景的通信背景对通信系统的覆盖能力提出了新的需求,需要系统具有更广和更加灵活的全空域波束覆盖能力。陆地基站不仅需要对地面设备实现向下的覆盖,还需要具有面向顶部空间进行辐射和通信的能力。5G通信中的一项关键技术是基于大规模天线阵列的波束赋形技术。波束赋形技术可以拓展通信系统利用的维度,从而提高频谱效率、扩大系统容量。本文正是在这样的背景下,对三维立体覆盖场景下的大规模阵列天线波束赋形系统及其关键技术展开了研究。传统通信设备的天线阵列主要是为了实现对地面终端的覆盖以及实现对水平面信号空间分布的控制。本文根据立体覆盖阵列的应用场景,实现了立体覆盖阵列中面向顶部空间辐射的阵列的研制,并研究了针对立体组阵阵列的相关关键技术。论文采用有源电路和贴片天线垂直布局的瓦式结构,降低了有源一体化天线阵列的剖面,可有效解决三维组阵的难题。在阵列的天线单元设计方面,论文采用模块化可拆卸的结构,研制了双极化滤波天线,降低设计的复杂度,提高系统容量和带外抑制能力;在小型化射频前端的设计方面,论文采用了带状线功分网络来节省PCB布板面积,并解决了带状线中功分器分支线较细的问题,采用半理论模型半数值分析的方法设计了发卡型滤波器,研究了宽带功率放大器的快速优化方法,提高了射频前端的综合性能。本文最终研制了一套具有小型化和低剖面特点且易于立体组阵的有源天线阵样机。所研制的相控阵列具有32双极化天线单元和64射频通道,系统工作在3.5GHz,信道带宽为200MHz,阵列电路总面积337?373mm2。对本文所研制的波束赋形系统进行了空口波束性能和射频传导测试。对阵列在?45°的范围内在平面的两个维度进行了波束扫描测试,0°指向主瓣3d B波束宽度为14°左右,天线阵增益为19.5d B,扫描范围内不同指向波束增益波动在3d B左右,不同频点在0°指向时的增益波动小于2d B;用100MHz带宽的QAM-64信号作为测试信号,对阵列垂直极化、水平极化和45°极化三种接收状态进行空口解调测试,EVM均在1%左右,说明阵列具有双极化数据处理能力;用两个50MHz的QAM-16数据流对阵列进行了多用户通信性能测试,两个数据流的解调EVM分别为3.69%和4.14%。射频传导测试中,在3.4GHz～3.6GHz频段内,各通道在接收模式下的平均增益平坦度为1.8d B,噪声系数为1.6d B左右,在发射模式下的平均增益平坦度为0.9d B,发射模式大信号测试中链路的OP1d B为28.8d Bm,发射杂散抑制大于50d Bc,测试结果显示阵列各通道一致性和射频性能良好。
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