北斗＋5G应用场景下的天线技术研究

刘志华

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州，510000）

0 引言

北斗和5G是实现“国器自立，自主可控”的两大核心领域，两者有机融合将成为高精度、高可靠、高安全的新一代信息时空体系[1]，导航和通信融合的理论逻辑在于卫星系统可以为地面基站等提供授时、定位服务的时空基准，但由于大气层折射和设备固有误差等因素存在信号覆盖不全和精度降低的问题，通过地基增强网络解算分析，地基增强加速定位信息通过基站高速传输到终端，定位精度可达厘米级；而原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能，而且覆盖不到基站信号的偏远地区也能用上北斗短报文通信功能。北斗赋能5G，5G赋能北斗，两者互为补充，特别是把终端和应用融合起来，这样在一个智能设备上就可以实现高精度的定位和服务。

1 应用场景分析

卫星系统和地面网络融合起来，构成强大的天地一体化网络，加上人工智能和大数据等技术的融合，必将促进物联网和智慧交通等应用的爆发与发展[2]。

随着我国汽车保有量的日益增加，司机不文明驾车等人为原因导致交通事故频频发生，交通灯设置不合理等等都会造成城市交通拥堵，无人驾驶技术应运而生。无人驾驶需要超高、超快的路况信息交流。北斗三号导航系统为无人驾驶提供非常精准的定位和应急通信以及高精度地图；5G 的发展为无人驾驶汽车提供低延时高宽带的信息交流[3]。当有危险发生或危险已发生时，汽车可以自动给附近汽车发送信息，让其他车辆及时做出紧急避险反应，大大降低车辆事故发生的几率，提供安全保障。整个交通网络接入网络，合理控制交通信号灯，改善上下班高峰拥堵。智慧交通构建如图1所示。

车载终端通过通信单元实现与边缘云互联，边缘云与北斗系统差分基准站和5G基站互通信息，通过云端进行数据处理和宏观控制，实现万物互联，互联互通。

图1 智慧交通构建图

2 原理与设计

智慧交通同大部分北斗+5G应用场景一样，由于北斗的信号强度弱，容易受到5G信号的强干扰，导致北斗系统功能瘫痪。目前，国内已经部署的5G基站超过100万座，其中5G的2515～2675 MHz频段与北斗信号S频率2491.75±8.16MHz相邻，隔离带仅15MHz。工信部发布的最新规定，2515～2675MHz频段5G信号在2483.5～2500MHz内的带外无用发射信号最大值为-43dBm/MHz[4]，而北斗S信号的落地电平约为-127dBm，比5G信号泄漏的功率低近100dB，且二者频率相隔较近，5G信号将对北斗定位业务造成干扰。

2.1 多波束抗干扰原理分析

空域滤波是在期望信号和干扰信号的到达方向上分别形成波束和零陷，以实现接收期望信号的同时抑制干扰。目前北斗领域多采用数字自适应波束形成。

数字多波束抗干扰技术，在数字域通过调整各接收通道的加权值，使天线阵列主波束对准卫星信号来向。每个指向波束，采用空时抗干扰架构，在干扰来向产生零陷，从而达到既提升灵敏度，又有抗干扰的效果，该技术架构图如图2所示。信号通过天线阵、射频通道、A/D、DDC等模块，分别进行射频信号接收、滤波、放大、变频、数字采样和变频，得到数字基带信号，数字基带信号经过信道均衡，消除各通道间的幅度误差和相位误差。天线姿态信息转化为方向矢量，跟信道均衡后的信号进行加权，即可产生波束信号。对波束信号进行抗干扰处理，即可实现波束指向抗干扰功能。

图2 多波束抗干扰原理图

数字多波束通过方向矢量加权，将波束主瓣对准卫星方向，多个阵子卫星能量的叠加，能有效提升卫星信号功率，波束增益提高，通过波束指向带来的灵敏度提升，等效于抗干扰的提升；数字多波束能通过多个阵子的相位加权，对方向图进行补偿，从而改善方向图不圆度；采用提升的灵敏度来补偿压缩射频带来的损失，因此波束指向可采用更大的射频动态，提升抗干扰性能。

常规北斗S频段天线增益为5.5dBi[5][6]，利用7单元圆阵合成多波束，增益理论最大值能达到13.95dBi。

2.2 多波束天线设计

对均匀圆形阵列而言，不仅能够在全方位提供角度估计，且与矩形阵列相比，圆周的中心对称性能够保证对于任意方向角都能够产生等宽度的波束和相等的波束增益，均匀圆阵的特殊对称几何结构还克服了线阵中各天线阵元之间互耦效应不平衡的缺陷。均匀圆阵已经广泛应用在卫星定位天线布阵。常用7阵元阵列天线几何结构图如图3所示，

图3 7阵元阵列天线布局图

中心阵元为北斗三号多频天线叠层设计，其中最上层为S中心阵元，圆周边缘阵列分别为S频段的1～6号抗干扰阵元。仿真结果如图4所示。

图4 (a)为90°仰角增益，(b)为10°仰角增益

汇总数据如下表1。

表1 S频段增益仿真结果

由数据可知，7阵元阵列天线的增益较高，差值为8dB，不及预期增益理论最大值，主要原因在于天线阵元间产生的有害互耦，天线仿真结构达到设计效果。

3 实验

通过软件的优化仿真得出天线的结构参数：圆形地板大小为φ140mm，高10mm；S阵元大小为20*20mm，高度为3mm，阵元间间距60mm。各个结构件采用螺钉进行紧固。

由图5可见，仰角90°和10°增益分别13.52dBi和5.08dBi。

图5 天线远场测试方向图

实验设置在正常开启的5G基站旁边，距离小于1米，由上表2可见，不同北斗用户机采用单阵元天线，通信成功率只有65%左右，不满足成功率大于95%的标准，而采用7阵元多波束抗干扰天线的用户机，通信成功率大于95%，满足通信要求。

表2 北斗用户机采用不同天线阵的通信成功率

4 结论

本文研究的阵列天线及其多波束抗干扰关键技术，不仅拥有良好的全方位增益特性，而且实现了北斗用户机有效对抗5G信号的干扰。这种研究对于北斗+5G大融合设备开发具有一定的参考价值。