5G基站天线电磁兼容问题及相关解决措施

摘要：5G移动通信是在兼容了4G移动通信的基础上存在的，现今5G已经开始进入到商用阶段，这就导致建在4G移动通信基础上的5G基站天线系统必须面临新的兼容挑战。为了实现信号的高效覆盖，5G基站天线系统采用了将百个天线单元共存于一个空间的方式。这种布局方式一方面会增加基站的运营成本，另一方面也会增加技术难题。因此，为了有效解决这个问题，业内采取的方法是将2G、3G、4G以及5G各频段的天线阵列进行一体化排列，通过紧凑的阵列布局来实现多个网络制式的信号覆盖与通信目的。然而，多个频段的天线同时存在于一个空间内，会产生电磁干扰的问题，这又是一个需要解决的新问题。基于此，本文将分析5G基站天线面临的电磁兼容问题及对策。

关键词：5G基站天线；电磁兼容问题；对策

5G移动通信的出现成功解决了各种问题与难题。随着5G时代的来临，各大运营商正在积极地部署5G设备。5G的传输速率预计将是4G的10倍，简单来说，5G的传输速率可以实现1秒1Gb。这对于5G基站的天线系统来说是一次巨大的创新挑战，需要在毫米波及波束形成技术方面研究高速率的实现策略。然而，基于4G通信技术基础的5G基站天线难以达到这一要求。具体来说，5G需要怎样的基站天线呢？在建设适合5G的基站天线过程中又会出现什么问题呢？本文将具体分析这两个问题，并深入研究5G基站天线面临的电磁兼容问题及相应的解决对策。

一、5G基站天线相关分析

5G移动通信从最开始1G时代全向天线时代开始发展，经历了2G、3G、4G时代，现在进入了5G时代。在整个变迁过程中，天线的存在价值一直反复被强调。移动通信中最关键的技术一直在变化中，同一时刻能处理的信息量在不断增加。在这个过程中，天线发挥了巨大的价值。根据业界对天线的定义，天线是一种能将导行波转换成电磁波，或者将电磁波转换为导行波的变换器。在传输速率提高的过程中，天线起到了重要的作用。简单来说，无论是在基站接发信号还是在移动端接发信号，天线都是不可缺少的重要组件。随着5G移动通信时代的到来，信息传递速度发生了巨大变化，速度将是4G时代的十倍。这对于天线系统来说是一项超越式的挑战。那么，在5G移动通信中，什么样的天线是最适合的呢？通过分析基站天线的演变和发展趋势，可以确定5G基站天线应该是怎样的，并进一步探讨5G基站天线可能面临的问题和解决对策。

基站天线与移动网络通信同步发展，随着信息传输速度加快，基站天线的建设技术也在不断提高。在1G时代，基站天线是全向天线，用户少，信息传输速率较低，此时还是模拟系统。2G时代，基站天线变为定向天线，进入蜂窝时代。3G时代，基站天线发展为多频段天线，系统比较复杂，GSM、CDMA等共存，多频段成为主流。4G时代，基站天线为MIMO天线系统，通信容量增加，出现阵列天线和多天线。对于5G时代，目前需要重点研究的是基站天线以什么形式存在。

针对未来基站天线的发展趋势，有两个方向的分析。首先，天线系统将从无源向有源发展，基站天线会朝着定制化和智能化方向发展，为用户提供更安全和高效的网络服务。其次，天线设计将从简单向复杂发展。5G时代，基站天线系统将从简单的MIMO向复杂的大规模MIMO系统发展，由简单且固定的波束发展为多波束。与此同时，5G移动通信也将面临兼容共存的新问题，因为5G移动通信技术兼容了以往移动通信技术的优势，基站天线设计也是在原有基站天线的基础上进行的。因此，多个频段的天线阵列处于同一空间范围是有限的，必然会出现各频段的电磁干扰问题。

通过进一步分析，可以确定5G基站天线将面临耦合干扰的问题，具体表现在同频天线单元与异频天线单元之间。只有成功解决这两个问题，才能真正实现5G的速度。

二、5G基站天线面临的EMC问题与挑战

（一）同频天线单元之间的耦合干扰

从上文分析中可以了解到，进入5G移动通信时代后，基站天线系统从简单的MIMO向着复杂的、大规模的MIMO系统发展，由简单且固定的波束发展为多波束。这样的变化与发展不仅可以实现通信容量的显著提高，同时也能确保通信信号的有效覆盖。从大体上看，阵列单元之间是相互协调存在的。然而，从细节上来看，可以发现当阵列单元之间的间距较小时，相邻的阵列单元之间会形成同频耦合干扰，这时的干扰强度较大，容易发生各种问题。例如，天线阵列的失配问题。天线阵列也被称为相控阵列，由两个或更多个基本天线组合而成。组内天线之间的信号相互组合，可以实现分集接收信号以抵消干扰，从而获得更高的性能。但是，如果天线阵列存在失配问题，组内天线之间的信号干扰噪声比会增加，影响信号的稳定性和清晰度。例如，单元间隔离度可能恶化。通常情况下，同频段的天线处于同一空间范围内，线与线之间有一定的间距。但是，如果阵列单元之间出现同频耦合干扰，单元的隔离度也会恶化，导致信号传递质量发生变化。

例如，方向图畸变、阵列的波束扫描能力降低等问题也会频繁出现。在研究同频天线单元之间的耦合干扰的解决方案时，常用的去耦方案有两种，第一种是在同频单元之间增加金属隔板，利用金属隔板的隔离作用降低同频天线单元之间存在的耦合干扰；第二种是在同频单元之间引入电磁带隙，利用电磁带隙特点和技术中和耦合干扰。以上两种去耦方案的基本原理是相同的，其目的都是使用中和线技术，人为地增加新的耦合路径，从而利用新耦合路径上形成的信号将原来存在的耦合信号抵消掉。

（二）异频天线单元之间的耦合干扰

从5G基站天线相关分析中可以得知，5G移动通信是在4G移动通信网络基础上搭建的，而4G、3G、2G等频段是在同一有限的空间中共存的，形成了多频段、多阵列的基站天线形式。在分析基站天线内的各个子阵时，会发现各个子阵的频段和尺寸存在较大差异，即没有完全相同的。这意味着子阵之间存在耦合干扰问题。如果不能有效解决这个问题，会导致各个子阵之间的隔离度下降，使得基站天线阵列的辐射方向图出现畸变问题，进而直接影响5G的实现速度和通信质量，对通信信号的覆盖和质量造成严重影响。在研究异频天线单元之间的耦合干扰的解决方案时，常用的异频去耦技术是滤波技术。

在过去，滤波技术应用下的滤波天线虽然可以改善天线单元间的隔离度，但存在新的问题没有解决，其中最为关键的问题是保形问题。天线辐射方向虽然可以保持不变，但对于天线辐射的方向图一直保持原定不变的目的难以保障。具体分析影响天线辐射方向图向着畸形方向发展的影响因素及原因，可以进一步发现耦合干扰问题的踪迹，低频天线上有高频电流，相互干扰。在以往使用的滤波天线技术中，仅能切断一个端口通路，不能切断两个端口通路。可切断的端口通路是向着低频天线传递的感应电流，而向着高频天线传递的感应电流是无法切断的，此时，电流会发生二次辐射情况，这次的电流辐射也就会使高频天线辐射方向图发生变形问题。滤波天线的工作原理是在天线前端增加滤波器，将不可用、不需要的信号频率排除掉，最后只留下可用的、需要的信号频段，此种方法可以有效避免干扰及噪声情况发生。

滤波天线是一种多功能天线，其将滤波器的功能集合在一处，无论是在接收信号，还是在发射信号时，都会同步进行信号的滤波处理，只留下特定频率范围内的信号。滤波天线在无线通信系统中起到的作用主要为信号的选择以及信号的抑制干扰作用，可以在最大程度上将系统的整体性能以及可靠性提高。

三、5G基站天线的EMC对策

（一）同频耦合干扰的对策

在5G基站天线的电磁兼容问题中，同频天线单元之间的耦合干扰问题若想有效解决，必须从耦合干扰问题的成因入手。在过去，针对同频耦合干扰采取的解决对策是中和线去耦方案，此方案主要是利用中和信号干扰的原理将耦合干扰信号有效抵消，从理想意义上来看，此同频耦合干扰的解决方案是有较多可取之处的，但还是存在一些问题难以攻克，从而也大大降低了同频耦合信号干扰效果。在此研究基础上，创新研发出ADS去耦表面技术，此技术的提出为同频耦合干扰信号的消除对策研究提供新方向，其中同频天线单元之间的耦合干扰度明显下降是最为突出的优势，可以将以往中和线去耦技术中难以攻克的问题有效解决。此技术的去耦带宽可以覆盖5G通信网络的C波段。

从图1中表现出的信息中可以知道，去耦结构的尺寸、高度及形状会因去耦表面的耦合信号的存在实现实时调整，从而保障发出的信号与达到的信号步调一致，此时因为相位相反原理，可以实现相邻的两个天线单元之间形成耦合抑制形态，实现正负抵消目的，消除耦合干扰。继续以图2中的图像信息展开分析同频耦合干扰的解决对策，此图中展示的是天线端口隔离度的仿真与测试结果，从最终的测试结果中可以看出，若去耦表面可以有效加载，那么天线单元之间的隔离度会有明显改善。

此外，在进一步研究中也发现，去耦表面的添加与应用，也在很大程度上将天线的辐射方向图进行了改进与完善，这为更深层次研究同频耦合干扰的解决对策提供了新思路与新方向。

（二）异频耦合干扰的对策

在5G基站天线的电磁兼容问题中，若想有效解决异频耦合干扰，需要对现有的滤波天线技术原理及特点进行深入分析，了解滤波天线技术是一种多功能天线，其起到的主要作用是将不需要的、存在干扰性质的信号进行有效隔离和处理，从而确保可用的频率信号留下。由此思路进行异频耦合干扰对策的进一步分析，继续以滤波天线技术为研究方向，多个研究团队就新型滤波天线技术的创新应用进行技术性研发，创新研究的滤波天线具有交叉频带散射抑制特性，是一种多频阵列天线。

此滤波天线技术的研究原理如下：因在同一个单元内存在低频和高频天线，前者会对后者产生散射干扰，为了抑制这种干扰，必须先将低频信号进行合理处理，采取的方式是分段处理方式，此处理方式可以将散射截面减少，但还需在处理过程中加入金属U型楔子，以便于更好地改善阻抗效果，达到带阻滤波目的。在技术研发过程中发现，若在单元中增加已经去耦的低频天线，那么高频天线中子阵的辐射方向图会与其独立时保持一致，整体方向图不变，保持自有形态。

由以上浅显分析中可以确定，异频耦合干扰问题的有效解决，需要从新型滤波技术的研发入手，于是隐身天线被有效研发，隐身天线可以达到的技术成果是极为突出的，是传统滤波天线技术难以达到的滤波水平。具体分为以下两种技术，第一种是分段处理技术，其目的是将基站天线的辐射体按照一定要求分段，这样就可以有效减少天线的雷达散射截面，同时在分段中还可以以增加带阻单元的方式来形成带阻滤波。第二种是去耦处理技术，在天线的辐射体上添加去耦结构，从而使辐射体上出现的感应电流为两种，且两个电流的方向是相反的，这样可以达到辐射抵消目的。从隐身天线的设计原理及应用价值上进行分析，可以进一步确定是异频耦合干扰的一个解决方向，可沿着此方向进一步探索研究，从而做出新的成果。

四、结束语

综上分析可知，5G基站天线的研发将成为5G发展的一个瓶颈。只有突破这一瓶颈，才能更好地处理信号。天线不仅仅是一个辐射器，它还具备其他功能，需要进行深入分析。本文旨在研究5G基站天线面临的电磁兼容问题以及解决对策。存在的问题主要是同频天线单元之间的耦合干扰和异频天线单元之间的耦合干扰。因此，在研究具体的解决对策时，需要进行相应问题的具体分析。目前，去耦技术仍处于继续研究阶段，尚难以有效解决现存的基站天线去耦问题，因此仍需继续深入研究，寻找攻克之法。

作者单位：张跃伟 武汉虹信技术服务有限责任公司

参考文献

[1]  廖科述，王大明，杜艳伟.基站天线封胶技术探究[J].现代信息科技，2019（15）：67-69，71.

[2] 王彬，史应如，张怿成.小型化通信基站天线的研究进展[J].电子世界，2018（24）：60，62.