北斗＋5G應(yīng)用場景下的天線技術(shù)研究

劉志華

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州，510000）

0 引言

北斗和5G是實(shí)現(xiàn)“國器自立，自主可控”的兩大核心領(lǐng)域，兩者有機(jī)融合將成為高精度、高可靠、高安全的新一代信息時(shí)空體系[1]，導(dǎo)航和通信融合的理論邏輯在于衛(wèi)星系統(tǒng)可以為地面基站等提供授時(shí)、定位服務(wù)的時(shí)空基準(zhǔn)，但由于大氣層折射和設(shè)備固有誤差等因素存在信號覆蓋不全和精度降低的問題，通過地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)解算分析，地基增強(qiáng)加速定位信息通過基站高速傳輸?shù)浇K端，定位精度可達(dá)厘米級；而原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能，而且覆蓋不到基站信號的偏遠(yuǎn)地區(qū)也能用上北斗短報(bào)文通信功能。北斗賦能5G，5G賦能北斗，兩者互為補(bǔ)充，特別是把終端和應(yīng)用融合起來，這樣在一個(gè)智能設(shè)備上就可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位和服務(wù)。

1 應(yīng)用場景分析

衛(wèi)星系統(tǒng)和地面網(wǎng)絡(luò)融合起來，構(gòu)成強(qiáng)大的天地一體化網(wǎng)絡(luò)，加上人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合，必將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和智慧交通等應(yīng)用的爆發(fā)與發(fā)展[2]。

隨著我國汽車保有量的日益增加，司機(jī)不文明駕車等人為原因?qū)е陆煌ㄊ鹿暑l頻發(fā)生，交通燈設(shè)置不合理等等都會造成城市交通擁堵，無人駕駛技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無人駕駛需要超高、超快的路況信息交流。北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)為無人駕駛提供非常精準(zhǔn)的定位和應(yīng)急通信以及高精度地圖；5G 的發(fā)展為無人駕駛汽車提供低延時(shí)高寬帶的信息交流[3]。當(dāng)有危險(xiǎn)發(fā)生或危險(xiǎn)已發(fā)生時(shí)，汽車可以自動給附近汽車發(fā)送信息，讓其他車輛及時(shí)做出緊急避險(xiǎn)反應(yīng)，大大降低車輛事故發(fā)生的幾率，提供安全保障。整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)絡(luò)，合理控制交通信號燈，改善上下班高峰擁堵。智慧交通構(gòu)建如圖1所示。

車載終端通過通信單元實(shí)現(xiàn)與邊緣云互聯(lián)，邊緣云與北斗系統(tǒng)差分基準(zhǔn)站和5G基站互通信息，通過云端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和宏觀控制，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，互聯(lián)互通。

圖1 智慧交通構(gòu)建圖

2 原理與設(shè)計(jì)

智慧交通同大部分北斗+5G應(yīng)用場景一樣，由于北斗的信號強(qiáng)度弱，容易受到5G信號的強(qiáng)干擾，導(dǎo)致北斗系統(tǒng)功能癱瘓。目前，國內(nèi)已經(jīng)部署的5G基站超過100萬座，其中5G的2515～2675 MHz頻段與北斗信號S頻率2491.75±8.16MHz相鄰，隔離帶僅15MHz。工信部發(fā)布的最新規(guī)定，2515～2675MHz頻段5G信號在2483.5～2500MHz內(nèi)的帶外無用發(fā)射信號最大值為-43dBm/MHz[4]，而北斗S信號的落地電平約為-127dBm，比5G信號泄漏的功率低近100dB，且二者頻率相隔較近，5G信號將對北斗定位業(yè)務(wù)造成干擾。

2.1 多波束抗干擾原理分析

空域?yàn)V波是在期望信號和干擾信號的到達(dá)方向上分別形成波束和零陷，以實(shí)現(xiàn)接收期望信號的同時(shí)抑制干擾。目前北斗領(lǐng)域多采用數(shù)字自適應(yīng)波束形成。

數(shù)字多波束抗干擾技術(shù)，在數(shù)字域通過調(diào)整各接收通道的加權(quán)值，使天線陣列主波束對準(zhǔn)衛(wèi)星信號來向。每個(gè)指向波束，采用空時(shí)抗干擾架構(gòu)，在干擾來向產(chǎn)生零陷，從而達(dá)到既提升靈敏度，又有抗干擾的效果，該技術(shù)架構(gòu)圖如圖2所示。信號通過天線陣、射頻通道、A/D、DDC等模塊，分別進(jìn)行射頻信號接收、濾波、放大、變頻、數(shù)字采樣和變頻，得到數(shù)字基帶信號，數(shù)字基帶信號經(jīng)過信道均衡，消除各通道間的幅度誤差和相位誤差。天線姿態(tài)信息轉(zhuǎn)化為方向矢量，跟信道均衡后的信號進(jìn)行加權(quán)，即可產(chǎn)生波束信號。對波束信號進(jìn)行抗干擾處理，即可實(shí)現(xiàn)波束指向抗干擾功能。

圖2 多波束抗干擾原理圖

數(shù)字多波束通過方向矢量加權(quán)，將波束主瓣對準(zhǔn)衛(wèi)星方向，多個(gè)陣子衛(wèi)星能量的疊加，能有效提升衛(wèi)星信號功率，波束增益提高，通過波束指向帶來的靈敏度提升，等效于抗干擾的提升；數(shù)字多波束能通過多個(gè)陣子的相位加權(quán)，對方向圖進(jìn)行補(bǔ)償，從而改善方向圖不圓度；采用提升的靈敏度來補(bǔ)償壓縮射頻帶來的損失，因此波束指向可采用更大的射頻動態(tài)，提升抗干擾性能。

常規(guī)北斗S頻段天線增益為5.5dBi[5][6]，利用7單元圓陣合成多波束，增益理論最大值能達(dá)到13.95dBi。

2.2 多波束天線設(shè)計(jì)

對均勻圓形陣列而言，不僅能夠在全方位提供角度估計(jì)，且與矩形陣列相比，圓周的中心對稱性能夠保證對于任意方向角都能夠產(chǎn)生等寬度的波束和相等的波束增益，均勻圓陣的特殊對稱幾何結(jié)構(gòu)還克服了線陣中各天線陣元之間互耦效應(yīng)不平衡的缺陷。均勻圓陣已經(jīng)廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星定位天線布陣。常用7陣元陣列天線幾何結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，

圖3 7陣元陣列天線布局圖

中心陣元為北斗三號多頻天線疊層設(shè)計(jì)，其中最上層為S中心陣元，圓周邊緣陣列分別為S頻段的1～6號抗干擾陣元。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 (a)為90°仰角增益，(b)為10°仰角增益

匯總數(shù)據(jù)如下表1。

表1 S頻段增益仿真結(jié)果

由數(shù)據(jù)可知，7陣元陣列天線的增益較高，差值為8dB，不及預(yù)期增益理論最大值，主要原因在于天線陣元間產(chǎn)生的有害互耦，天線仿真結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

3 實(shí)驗(yàn)

通過軟件的優(yōu)化仿真得出天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)：圓形地板大小為φ140mm，高10mm；S陣元大小為20*20mm，高度為3mm，陣元間間距60mm。各個(gè)結(jié)構(gòu)件采用螺釘進(jìn)行緊固。

由圖5可見，仰角90°和10°增益分別13.52dBi和5.08dBi。

圖5 天線遠(yuǎn)場測試方向圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)置在正常開啟的5G基站旁邊，距離小于1米，由上表2可見，不同北斗用戶機(jī)采用單陣元天線，通信成功率只有65%左右，不滿足成功率大于95%的標(biāo)準(zhǔn)，而采用7陣元多波束抗干擾天線的用戶機(jī)，通信成功率大于95%，滿足通信要求。

表2 北斗用戶機(jī)采用不同天線陣的通信成功率

4 結(jié)論

本文研究的陣列天線及其多波束抗干擾關(guān)鍵技術(shù)，不僅擁有良好的全方位增益特性，而且實(shí)現(xiàn)了北斗用戶機(jī)有效對抗5G信號的干擾。這種研究對于北斗+5G大融合設(shè)備開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。