1、何业军，黄伟，陈亚玲，等.支持未来全频谱接入通信的基站天线研究综述（特邀文章）J.电波科学学报，2023，38（1）：15-26+43.DOI:10.12265/j.cjors.2022144HE Y J,HUANG W,CHEN Y L,et al.Review of base station antennas for future all-spectrum-access communications（Invited）J.Chinese journal of radioscience，2023，38（1）：15-26+43.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.
2、2022144支持未来全频谱接入通信的基站天线研究综述（特邀文章）何业军*黄伟陈亚玲张龙李文廷（深圳大学电子与信息工程学院,深圳 518060）摘要 随着移动通信系统的快速更新迭代，使用的频段也越来越丰富，支持全频谱接入通信成为未来基站天线的发展趋势.而日趋紧张的站址资源对未来基站天线的小型化水平提出了更高的要求.文章首先介绍了当前多频段基站天线的研究进展和成果，概括了并排式、交错式、堆叠式和嵌套式四种多频段结构类型，着重分析了异频耦合的产生原理和抑制方法；然后总结出共口径技术和异频解耦技术是未来全频谱基站天线的关键技术；最后阐述了当前共口径技术和异频解耦技术存在的局限性，展望了未来全频谱基站
3、天线的研究方向，包括多种共口径方式组合技术、宽带异频解耦技术和大规模共口径天线阵列解耦技术.关键词基站天线；多频天线；共口径天线；异频耦合；去耦技术中图分类号TN821文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0015-12DOI 10.12265/j.cjors.2022144Review of base station antennas for future all-spectrum-access communications（Invited）HE Yejun*HUANG WeiCHEN YalingZHANG LongLI Wenting（College of Electr
4、onics and Information Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China）Abstract With the rapid update of mobile communication system,more and more frequency bands areemployed,so the all-spectrum-access communications become the development trend of base station antenna in thefuture.However,the
5、ever-decreasing site resources require more miniaturized base station antenna.First,this paperintroduces the current research advances and achievements on multi-band base station antenna,summarizes four typesof multi-band structures:side-by-side,interleaved,stacked and embedded schemes,and focuses o
6、n analyzing theprinciple and suppression method of cross-band coupling.Then,it is concluded that share-aperture structure and cross-band decoupling technologies are the key for future all-spectrum base station antenna.Finally,the limitations of thecurrent share-aperture schemes and cross-band decoup
7、ling technologies are expounded.And the future researchdirections of full-spectrum-access base station antennas are prospected,including the combination technologies ofvarious share-aperture structures,broadband cross-band decoupling and the decoupling methods for massive share-aperture antenna arra
8、y.Keywordsbase station antenna；multi-band antenna；share-aperture antenna；cross-band coupling；decouplingmethod 收稿日期：2022-06-29资助项目：国家自然科学基金(62071306,61801299,62101341)通信作者：何业军 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 引言由于用户群体的快速增长和通信业务的不断丰富，移动通信系统在提升
9、信道容量和数据传输速率上面临着前所未有的挑战.在过去的二十多年里，移动通信技术飞速发展更新迭代，完成了从 2G 到5G 的演变.然而，为了满足不同情景的需求，在未来很长的一段时间里 5G 与前几代的移动通信系统将会继续共存1-2.因此，基站天线需要同时支持多个移动通信制式和频段.例如 2G 移动通信系统的 GSM900和 GSM1800 分别使用 825960 MHz 频段和 1 7101 920 MHz 频段.3G 系统的 TD-SCDMA，WCDMA和 CDMA2000 在 1 8802 170 MHz 频段中运行.4G 的 LTE 系统主要工作在 2 3002 690 MHz 频段.5G
10、 系统的工作频段分为两部分，FR1 和 FR2，FR1 频段 定 义 为 450 6 000 MHz，即 Sub-6 GHz 频 段；FR2 频段定义为 24 25052 600 MHz，该频段的波长量级在 10 mm 左右，也被称为 5G 毫米波频段.现阶段 5G 基站的部署主要是在 Sub-6 GHz 频段范围内，包括 700 MHz、2.1 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz 和 4.9GHz 频段.移动通信的快速发展导致低频段的频谱资源日趋紧张，于是人们将目光投向了频率更高的毫米波频段.5G 毫米波频段拥有丰富的频谱资源和更大的带宽容量，能够达到数千 Mbps 的超高传输速率和 1
11、 ms 级别的极低时延.但是，毫米波存在严重的传输衰减大、穿透能力差和覆盖范围小等问题.针对这些问题与挑战，将衰减小、覆盖广的 Sub-6 GHz 天线与毫米波天线集成在一起，是 5G 基站天线的发展趋势3-5.随着越来越多的频谱加入，与之而来的是基站天线系统冗杂、站址占用空间大、安装维护成本高等问题6.共站共享方案的实施，对基站天线的小型化水平提出了更高的要求.因此，研究小型化、集成化的多频段基站天线成为未来移动通信系统的迫切需求.1 多频段基站天线原理及分类多频段基站天线，即多种不同频段的天线集成在同一副基站天线阵列里，且各频段天线的辐射性能和电磁参数正常，互不影响7.如图 1 所示，根据
12、不同的高低频天线阵元组合结构方案，多频段基站天线大致可以分为四种类型：并排式、交错式、堆叠式以及嵌套式.并排式多频段基站天线将不同频段的天线阵元按照一定的间距并列排布，各频段阵元之间的耦合强度较小，但是天线阵列整体宽度较大.进一步缩小并排的高低频阵元之间的距离，直至高低频阵元在空间上交错重叠时，即为交错式多频段基站天线.相比并排式结构，采用交错式结构的多频段基站天线宽度减小，但是耦合更加严重，同时低频天线还会遮挡高频天线的辐射，造成散射干扰.堆叠式方案将高低频阵元上下堆叠放置，最大程度地减小了多频基站天线的整体宽度.根据高低频阵元的位置，可以分为高上低下和低上高下两种类型.然而高上低下结构存在
13、剖面高度过高的问题，低上高下结构面临着严重的散射干扰.嵌套式多频段基站天线将高频阵元嵌套在低频阵元内部，低频天线的尺寸即为天线的整体尺寸，是这四类结构里空间利用率最高的一种方案.但是，采用嵌套式结构的高低频段阵元排布最为紧密，耦合影响也是最严重的.(c)堆叠式(c)Stacked scheme低频天线高频天线反射器(d)嵌套式(d)Embedded scheme(a)并排式(a)Side-by-side scheme(b)交错式(b)Interleaved scheme图 1 多频段基站天线结构类型示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-band base st
14、ation antennas 交错式、堆叠式和嵌套式的多频段基站天线属于共口径天线范畴.共口径技术是指不同频段的天线阵元按特定的结构紧密组合，共享部分或者全部辐射口径，并且在各自的频段内正常工作，互不干扰8-16.与传统的并排式结构相比，共口径方案可以大幅提高多频段天线的辐射口径利用率，减小尺寸，进一步提升基站天线的小型化水平.然而，多频段基站天线阵元之间因排布紧密而产生强烈的耦合效应，耦合干扰将严重影响天线的整体性能，引起天线端口隔离度恶化和方向图畸变等问题17-23.因此，研究小型化集成化的多频段基站天线的解耦技术是重中之重.2 国内外研究现状随着移动通信技术的快速发展，基站天线朝着多频带
15、、小型化方向发展.近年来，国内外的学者和研究团队在多频段基站天线领域做了大量研究.2.1 并排式多频段基站天线并排式多频段基站天线将不同频段的天线阵元 16电波科学学报第 38 卷按照一定的间距并列排布，间距越大，则各频段阵元之间的耦合强度越小，但是天线整体宽度也随之增加.为了满足基站天线小型化的需求，降低并排式多频段基站天线的整体宽度，只能减小高低频阵元之间的距离.然而，随着高低频阵元的靠近，耦合影响却更加严重.为了抑制耦合，降低并排式多频段基站天线的宽度，华南理工大学的章秀银教授团队在 2016 年提出了一种基于滤波贴片天线阵元的双频段基站天线24.如图 2 所示，该滤波贴片天线阵元由上下
16、两层印制在介质基板的矩形贴片组成.位于下层的驱动贴片由同轴馈电探针激励，然后通过耦合效应激励悬空在上层的寄生贴片.为了集成滤波功能，底层介质基板中添加了三个短路通孔，用于抑制工作频带外的辐射.在驱动贴片上蚀刻的 E 形槽用于引入新的谐振模式，拓展天线的阻抗带宽.基于此结构分别设 计 了 工 作 频 段 为 DCS(1 710 1 880 MHz)和WCDMA(1 9202 170 MHz)的两个阵元并排放置，仿真和实测结果如图 3(a)所示.图 3(b)是采用不带滤波结构功能的普通贴片阵元的仿真结果.相比之下，滤波贴片天线阵元实现了较高的带内辐射效率和带外辐射抑制水平，端口隔离度从 22 dB 提升至30 dB.基 于 滤 波 贴 片 天 线 阵 元 构 建 的 DCS 和WCDMA 双频段基站天线阵列宽度为 206 mm，比常规工业产品减小了约 84 mm.Stacked patchDriven patchShorting pinsGround(a)(b)(c)SMAAir gapH1H2H3Lp3Ls2xyLp1L1L2R2R1L3D1D2D3L4L5W1Lp2Lp4Ls1Sup-
