Eine Methode zur Koexistenz mehrerer Antennen für FDD+TDD-Basisstationsantennenarrays

Für FDD+TDD-Basisstations-Array-Antennen wurde eine neuartige Topologie vorgeschlagen. Durch den Einsatz dieser Topologie zusammen mit Koaxialantennen, Array-Radial- und Axialverschiebungstechniken können mehrere Spalten von 2G/3G/4G/5G-Basisstationsantennen auf einer relativ kleinen Leistungsteilerplatine angeordnet werden und gleichzeitig die Anforderungen an Stehwellenverhältnis (SWR) und Verstärkung erfüllen. Dieser Ansatz reduziert die Gesamtgröße der FDD+TDD-Array-Antennen erheblich. Durch eine Reihe von Messungen wurde beobachtet, dass die Basisstationsantennen mit dieser Array-Topologie (1400 mm × 490 mm × 105 mm) innerhalb der gewünschten Frequenzbänder mit SWR-Werten unter 1,4 arbeiten und die Strahlbreite mit halber Leistung im Bereich von 65 ± 10 Grad bleibt.
Es wird ein neuartiges Mehrantennen-Koexistenzdesign für FDD+TDD-Basisstationsantennenarrays vorgeschlagen, das Low-Band-Antennen (LBAs), die im Bereich von 0,69–0,96 GHz und 1,4–2,7 GHz betrieben werden, und Mittelbandantennen (MBAs), die im Bereich von 1,4–2,7 GHz betrieben werden, kombiniert. Durch die Verwendung einer kompakten Topologie und den Einbau geeigneter Leistungsteiler und Phasenverschiebungsschaltungen können die Sende- und Empfangsfrequenzbänder gesteuert werden, und die Array-Elemente sind in zwei Spalten organisiert, wodurch die Gesamtgröße des FDD+TDD-Antennen-Arrays deutlich reduziert wird [1-5]. Darüber hinaus können High-Band-Antennen (HBAs), die im Bereich von 3,3 bis 3,8 GHz arbeiten, ein großes N×M-Multiple-Input-Multiple-Output-Array (MIMO) bilden, wenn sie mit speziellen Leistungsteilern und Phasenverschiebungsschaltungen ausgestattet und mit Basisband- und aktiven Schaltungen verbunden sind, wodurch sich die Uplink- und Downlink-Frequenzbänder in Zeitsegmenten überlappen und so eine TDD-Basisstationsantenne (Time Division Duplexing) entsteht Array geeignet für 5G New Radio (NR) [6-8].
5G-Netzwerke bieten nahtlose Echtzeitkonnektivität für das Internet der Dinge (IoT) und die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) und ermöglichen so die Verwirklichung des Internet of Everything. Der Einsatz von 5G-Geräten stellt Betreiber und Gerätehersteller jedoch vor Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf Betriebskosten und Basisstationsarchitektur. In vielen spezifischen Umgebungen können 5G-Geräte bestehende LTE-Netzwerke nicht ersetzen. Daher wird allgemein davon ausgegangen, dass 5G-Geräte und LTE-Netze noch lange Zeit nebeneinander existieren werden [9]. Auf dieser Grundlage ist die Entstehung der FDD+TDD-Basisstations-Antennen-Array-Topologie eine natürliche Entwicklung.
Für FDD+TDD-Basisstationsantennen werden typischerweise FDD-Arrays in den Frequenzbändern 0,69–0,96 GHz und 1,4–2,7 GHz verwendet, während TDD-Arrays im Frequenzband 3,3–3,8 GHz verwendet werden. Wenn außerdem HBAs und ihre steuernden aktiven Schaltkreise, Leistungsteiler und Phasenverschiebungsschaltkreise integriert und Basisbandnetzwerke verbunden werden, ist es möglich, ein Basisstationsantennenarray mit aktiver Time Division Duplexing-Antenne (AAU) zu bilden.
Um das oben genannte FDD+TDD-Basisstationsantennenarray zu entwerfen, besteht der erste Schritt darin, LBAs, MBAs und HBAs im gleichen Antennenarray zu platzieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass sie in ihren jeweiligen Frequenzbändern effektiv arbeiten, ohne sich gegenseitig zu stören. In der Praxis kann jedoch bei der Kombination von LBAs und MBAs der gegenseitige Kopplungseffekt zwischen ihnen erheblich sein, insbesondere wenn die Größe des Arrays reduziert wird. Aufgrund des Höhenunterschieds zwischen LBAs und MBAs (LBAs sind oft höher als MBAs) streuen beim Betrieb von MBAs einige elektrische Felder auf LBAs, was zu einer Verzerrung des Antennenstrahls, einer verringerten Verstärkung und einem verschlechterten VSWR führt. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher verschiedene Ansätze untersucht, darunter die Verwendung von periodischen oder nichtperiodischen Filterschaltungen, die auf der Strahlungsoberfläche oder dem Balun des Arrays montiert sind, und Anpassungsschaltungen, um Cross-Band-Interferenzen herauszufiltern; Verwendung periodischer oder nichtperiodischer Schaltkreisgrenzen auf der Grundebene unter oder in der Nähe der Array-Elemente, um abgestrahlte Wellen zu absorbieren; und Anwenden spezieller Topologien, um die Strahlen des Arrays so zu formen, dass sie ein „0“-Muster bilden, und die Verstärkung durch Steuerung der Strahlbreite anzupassen [10-15]. Darüber hinaus gibt es spezielle Methoden, die Metamaterialien, Metaoberflächen und akustische Oberflächen nutzen, um bandübergreifende Interferenzprobleme zu lösen.
In der dritten Forschungskategorie führt jede verwendete Topologie bei dichter Verteilung der Array-Elemente zu verschiedenen Formen der Verzerrung des Strahlungsmusters der Array-Antenne aufgrund von Interferenzen zwischen Elementen. Daher könnte eine Kombination der oben genannten Forschungsergebnisse eine wichtige zukünftige Richtung sein. Die gleichzeitige Verwendung aller dieser Ansätze im Array kann jedoch zu hohen Basisstationskosten und einer komplexen Komponentenmontage führen, sodass es für die Massenproduktion ungeeignet ist. Daher besteht die Herausforderung für Gerätehersteller darin, die geeigneten Filterschaltungen, frequenzselektiven Oberflächen und Topologien auszuwählen und diese zu integrieren, um die Basisstationsantenne zu entwickeln und herzustellen.
Für HBAs ist die Beamforming-Technologie von entscheidender Bedeutung. Je größer die Anzahl und Größe der Antennen ist, desto bedeutender kann die Beamforming-Technologie eine Rolle spielen. Wenn die Array-Größe jedoch konstant bleibt, kann die gegenseitige Kopplung zwischen Antennenelementen die Leistung jedes einzelnen HBA beeinträchtigen, was zu einer suboptimalen Strahlformung führt. Daher ist es wichtig, die Topologie von HBAs zu entwerfen und Isolationsbalken zwischen Elementen festzulegen. Da HBAs über eine Struktur mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen verfügen, müssen mehrere Eingangsports festgelegt werden. Das bedeutet, dass bei der Einführung einer neuen Topologie für HBAs die Leistungsteiler, Phasenverschiebungsschaltungen und die Kabelführung neu gestaltet werden müssen, was eine erhebliche Herausforderung für Designer darstellt.
In diesem Artikel wird ein Multiantennen-Koexistenzdesign vorgeschlagen, das für FDD+TDD-Basisstationsantennenarrays geeignet ist und die Gesamtgröße erheblich reduziert, während SWR, Verstärkung und Kreuzpolarisationsverhältnis erhalten bleiben. Das Design weist fünf Schlüsselaspekte auf:
1. Koaxialtechnologie wird verwendet, um MBAs über LBAs mit Filterschaltungen zu montieren, wodurch Dualband-Dual-polarisierte Shared-Aperture-Antennen (DSA-Antennen) für die Frequenzbänder 0,69–0,96 GHz und 1,7–2,7 GHz entstehen. Über und unter den DSA-Antennen sind Richtkoppler mit unterschiedlicher Apertur angebracht, die ein gutes SWR und einen guten Gewinn gewährleisten und gleichzeitig die Größe des Antennenarrays der FDD-Basisstation erheblich reduzieren.
2. Zwischen LBA-Elementen sowie zwischen LBA- und MBA-Elementen werden Isolationsstangen installiert, die eine ausreichende Isolierung auch bei geringem Abstand der Elemente gewährleisten und so Kopplungseffekte minimieren.
3. Die DSA-Antennenelemente am axialen Ende des Arrays werden radial verschoben, wobei sichergestellt wird, dass das Kreuzpolarisationsverhältnis den Standards entspricht, wodurch die Halbleistungsstrahlbreite (HPBW) des abgestrahlten Strahls für das gesamte DSA-Antennenarray reduziert wird.4. Isolationsstangen unterschiedlicher Höhe und Ausrichtung werden entsprechend in außeraxialer oder radialer Richtung jeder Einheit im 5G-Array belastet, um eine gute Isolation zwischen den HBAs aufrechtzuerhalten.
5. Die beiden Säulen mit DSA-Antennen und MBAs werden auf beiden Seiten des 5G-Arrays platziert. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die einzelnen Säulen nicht gegenseitig stören, wodurch unnötige Kosten im Zusammenhang mit Isolationsschienen für zwei Säulen desselben Antennentyps vermieden werden.
In den folgenden Abschnitten wird dieses Design ausführlich erläutert.
Abbildung 1: Antennenmodell für das vorgeschlagene FDD+TDD-Basisstationsantennenarray. Das Array ist in zwei Bereiche unterteilt: den FDD-Antennenbereich und den TDD-Antennenbereich, mit FDD-Antennen auf beiden Seiten der TDD-Antennen, symmetrisch zur Mittelachse des Arrays. Jede Region enthält eine Spalte mit LBAs und eine Spalte mit MBAs. Mit Ausnahme von DSA1 in der Abbildung sind alle anderen LBAs koaxial zu den MBAs. Es ist zu beachten, dass sich MBA in diesem Zusammenhang sowohl auf MBA1 als auch auf MBA2 in Abbildung 1 bezieht, die in diesem Dokument gemeinsam als MBA bezeichnet werden.

Die DSA-Antenne in Abbildung 1 besteht aus einer LBA und einer MBA1, wobei MBA1 eine dualpolarisierte Dipolantenne ist, die für den Frequenzbereich von 1,7–2,7 GHz verwendet wird [16]. Es wird über dem LBA platziert und die beiden teilen sich die gleiche Apertur, dh die Linie, die die Mittelpunkte von LBA und MBA1 verbindet, verläuft parallel zum Normalenvektor des Arrays.
Auf jeder Seite der DSA-Antenne befindet sich ein MBA2, bestehend aus drei Schichten von Strahlungselementen und einem Balun, mit einer anderen Form als MBA1, aber im gleichen Frequenzbereich von 1,7–2,7 GHz betrieben [18]. Wenn das Array im Bereich von 1,7–2,7 GHz betrieben wird, werden alle MBA1 und MBA2 im FDD-Antennenbereich gleichzeitig angeregt und arbeiten als MBAs mit einem Gewinn von bis zu 15 dBi.
Da der Abstand zwischen den DSA-Antennenelementen und den MBA2-Elementen im FDD-Antennenbereich gering ist, werden Filterschaltungen auf der Strahlungsoberfläche des LBA platziert und Isolationsstangen zwischen DSA-Antennenelementen und MBA2-Elementen angebracht, um Interferenzen zu verhindern [19]. Mit diesen beiden Methoden kann das FDD-Antennen-Array bei reduzierter Gesamtfläche normal abstrahlen.
Im TDD-Antennenbereich gibt es fünf HBA-Spalten, wie in Abbildung 1 dargestellt. Jede Spalte enthält 12 Elemente, also insgesamt 60 Elemente, die nacheinander in der Region angeordnet sind. Die HBA ist eine dualpolarisierte Dipolantenne, die effiziente Speisemethoden nutzt und im Frequenzbereich 2,3–3,8 GHz eingesetzt werden kann. Die Antenne in [20] wird durch Entfernen des Lange-Kopplers und Ändern der Größe des polarisierten Doppellinien-Strahlerelements für den Frequenzbereich von 2,3 bis 3,8 GHz modifiziert. Bei Ausstattung mit effizienten Speiseschaltungen und Phasenverschiebungsschaltungen entsteht der HBA in Abbildung 1. Unterhalb der Elemente befinden sich Leistungsteiler und Phasenschieberschaltungen, die auf die Eingangsports zugeschnitten sind. Einige Leiterplatten sind länger und versorgen zwei HBAs mit Strom, während andere kürzer sind und nur einen HBA mit Strom versorgen. Um die Elemente herum sind Isolationsstäbe und Reflektoren angebracht, die eine gute Isolierung aller HBAs gewährleisten und den gesamten Beamforming-Effekt aufrechterhalten.
Alle Elemente, Leistungsteiler, Phasenschieberschaltungen und Isolationsschienen der Basisstationsantenne sind mit einer 0,2 mm dicken Isolierunterlage aus FR4-Material abgedeckt. Dieses Isolierpad isoliert die Komponenten über der Masseebene effektiv von der Masseebene und gewährleistet so die ordnungsgemäße Intermodulation dritter Ordnung der Basisstationsantenne als Ganzes. Unterhalb der Grundplatte befinden sich die Leistungsteiler und Phasenverschiebungsschaltungen, die den gesamten Stromfluss der Basisstationsantenne steuern und die Leistungsteiler und Phasenverschiebungsschaltungen für den FDD-Antennenbereich und den TDD-Antennenbereich steuern. Es gibt auch Koaxialkabel, die verschiedene Leistungsteiler verbinden. Da diese Module keinen Bezug zur vorgeschlagenen Topologie in diesem Dokument haben, werden sie nicht weiter besprochen.
2.1 Designprinzipien der DSA-Antenne:
Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht die DSA-Antenne aus einem LBA und einem MBA1, wobei MBA1 direkt über dem LBA positioniert ist und ihre Zuleitungen durch die Mitte des anderen verlaufen. Direkten Kontakt haben die beiden nicht. Die Strahlungsoberfläche des LBA besteht aus zwei Teilen, von denen einer für das 45° polarisierte elektrische Feld und der andere für das -45° polarisierte elektrische Feld verantwortlich ist. Die Kreisformen dieser beiden strahlenden Flächenteile sind identisch und orthogonal zueinander ausgerichtet. Jedes Teil verfügt über zwei Sätze von Bandsperrfiltern, die die von MBA1 abgestrahlten Wellen herausfiltern, wodurch eine erhebliche Streuung auf dem LBA verhindert wird und es der DSA-Antenne ermöglicht wird, effektiv in den Frequenzbereichen 0,69–0,96 GHz und 1,7–2,7 GHz zu arbeiten.
Der Strahlungskörper des LBA biegt sich nach oben um den MBA1 herum und erfüllt drei Zwecke: Erstens verringert er die Querschnittsfläche des LBA, während die entsprechende Aperturgröße erhalten bleibt; Zweitens beherbergt es die Filterstruktur, die die von MBA1 abgestrahlten Wellen entfernt. Drittens bildet es einen Ring aus Reflexionsbändern um MBA1. Da sich MBA1 über dem LBA befindet, wird der gebogene Strahlungskörper um den Balun von MBA1 herum platziert, wodurch die Richtwirkung von MBA1 erhöht und seine Energie in der Richtung des beabsichtigten Winkels verstärkt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Gesamtverstärkung des nach oben gerichteten Strahlungsstrahls des MBA nicht wesentlich verringert wird.
2.2 Prinzipien der FDD-Antennentopologie:
Wenn eine einzelne Antenne ein Signal sendet, kommt es während der Übertragung zu einem Mehrwegeschwund. Um diesen Effekt zu reduzieren, nutzen moderne Basisstationen Diversity-Techniken [21] und nutzen wiederum Multipath-Fading, um die Kommunikationseffizienz und -qualität zu verbessern. Im Laufe der Zeit von 2G zum aktuellen 5G haben sich Basisstationsantennen von Single-Input-Single-Output zu Multiple-Input-Multiple-Output entwickelt. Dieser Übertragungsmodus erfordert jedoch mehrere Spalten mit Elementen, die auf kleinem Raum angeordnet sind, was ein spezielles Topologiedesign erfordert, um Interferenzen zwischen Elementen zu vermeiden. Angenommen, die Richtcharakteristikfunktion ist F e (θ, ) und die Antennenelemente sind wie in Abbildung 2 dargestellt angeordnet, wobei sich das erste Element im Ursprung der Koordinatenachse befindet und mit z 0 bezeichnet wird und der komplexe Vektor des Eingangsstroms mit İ 0 bezeichnet wird. Die Phasendifferenz zwischen den Eingangsströmen des ersten Elements und des zweiten Elements sei α 0 und die Koordinate des n-ten Elements auf der Z-Achse sei z n-1 mit seinem komplexen Vektor der Eingabe Strom wird als İ n-1 bezeichnet, und die Phasendifferenz zwischen ihm und dem vorherigen Element wird als α n-1 bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Array und einem entfernten Punkt P beträgt ungefähr r, und unter der Annahme, dass α 0 0 ist, ist unter der idealen Bedingung, dass im eigenen Pfad der Antenne kein Energieverlust auftritt, das Gesamtfeld Ė des Line Arrays am Punkt P(r, θ, ) gegeben durch:
Dabei ist A ein Skalierungsfaktor, der aufgrund der tatsächlichen Form des Antennenelements eingeführt wird und die Unterschiede zur idealen Punktquelle aufgrund der tatsächlichen Form der Antenne berücksichtigt. Dabei kann k als Ausbreitungskonstante verstanden werden.
(Hinweis: Aufgrund der Zeichenbeschränkung habe ich bisher die Übersetzung bereitgestellt. Wenn Sie mehr Inhalte übersetzen möchten, stellen Sie diese bitte in separaten Teilen bereit.)

Wenn der Abstand zwischen den Elementen gleich ist und mit d bezeichnet wird und die relative Phasendifferenz der Speiseströme zwischen den einzelnen Elementen α beträgt, kann Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt werden:
Gleichung (2) ergibt sich aus Gleichung (1) unter der Annahme gleicher Elementabstände und relativer Phasenunterschiede der Speiseströme.
Um das Strahlungsmuster des FDD-Antennenbereichs zu erhalten, kann die Variation des elektrischen Feldes mit Koordinaten basierend auf der obigen Gleichung aufgetragen werden.
Für den FDD-Antennenbereich in Abbildung 1 kann zum Design der DSA- und MBA-Antennen auf die Literatur verwiesen werden [7]. Wenn sie jedoch wie in Abbildung 1 verteilt sind, kann die Kopplung zwischen den DSA- und MBA-Antennen schwerwiegend sein. Um dieses Problem zu lösen, werden Modifikationen an der Strahlungsoberfläche der DSA-Antenne vorgenommen, indem der äußere Teil der Strahlungsoberfläche der LBA nach oben gebogen wird und eine hohle Struktur entsteht, die mit den Schaltkreisen auf der Strahlungsoberfläche eine äquivalente Bandsperrenfilterschaltung bilden kann. Durch diese Struktur können die von der MBA-Antenne abgestrahlten Wellen von der DSA-Antenne absorbiert werden, wodurch jegliche Streuung verhindert wird.

Darüber hinaus gibt es weitere Auswirkungen zwischen den MBA- und DSA-Antennen. Wenn der MBA in Betrieb ist, führt die unmittelbare Nähe zwischen MBA1 und MBA2 zu einer geringeren Isolation. Die von MBA2 sowohl in Richtung des vorgesehenen Winkels als auch in die entgegengesetzte Richtung abgestrahlten Wellen verursachen Induktionsströme, wenn sie auf die Grundebene treffen. Diese Induktionsströme fließen durch die Zuleitungen unter der DSA-Antenne und erreichen teilweise die LBA, was zu unregelmäßigen Strahlungsmustern führt. Ein anderer Teil der Ströme erreicht MBA1 und verschlechtert die Isolation zwischen MBA1 und MBA2. Um dieses Problem zu lösen, werden Isolationsschienen zwischen MBA2 und der DSA-Antenne platziert (Isolationsschiene 1 und Isolationsschiene 2 in Abbildung 1), um die Ströme zwischen ihnen zu isolieren und so die Isolation zwischen MBA2 und DSA zu verbessern.
2.3 Prinzipien der TDD-Antennentopologie:
In Abbildung 1 ist zu erkennen, dass der TDD-Antennenbereich eine versetzte Anordnung der HBA-Elemente in benachbarten Spalten verwendet. Unter der Annahme, dass der Abstand zwischen den einzelnen Elementen in einer Spalte d1 beträgt, sind sie in axialer positiver oder negativer Richtung um d1/2 relativ zur benachbarten Spalte verschoben. Bei FDD-Antennen arbeitet jede Spalte unabhängig, daher müssen Interferenzen zwischen den Spalten vollständig eliminiert werden. Andererseits ist bei MIMO-Antennenarrays die Unterscheidung zwischen Spalten und Zeilen nicht so wichtig wie bei FDD-Antennen. MIMO behandelt alle HBAs als planare Anordnung und arbeitet durch Änderung der Phase und Stromamplitude. Daher ist für den Topologieentwurf des TDD-Antennenbereichs in Abbildung 1 der Abstand zwischen den einzelnen HBAs sinnvoll geplant.
Wenn die vier Spalten des HBA in Abbildung 1 von links nach rechts als 1. bis 4. Spalte bezeichnet sind und ihre jeweiligen gesamten elektrischen Feldvektoren Ė1 bis Ė4 sind, kann das gesamte von der TDD-Antennenfläche abgestrahlte elektrische Feld als Ė dargestellt werden. Dann:
Gleichung (3) stellt das gesamte elektrische Feld dar, das von der TDD-Antennenfläche abgestrahlt wird, unter Berücksichtigung des Beitrags jedes HBA.
Um die Berechnung zu vereinfachen, kann das gesamte Array im TDD-Antennenbereich wie in Abbildung 3 dargestellt dargestellt werden. Die erste Spalte bleibt an der z-Achse ausgerichtet, wie im Linienarray in Abbildung 2. Jede nachfolgende Spalte wird in y-Richtung um m verschoben, und das erste Element in jeder Spalte (von links nach rechts) wird in z-Richtung um n verschoben. Der äquivalente Abstand von der 1. bis zur 4. Spalte zum Fernfeldpunkt P wird als r1 bis r4 bezeichnet, und die komplexen Eingangsstromvektoren für jede Spalte werden als I1 bis I4 dargestellt.
Richtig, durch Einsetzen der Ausdrücke in Gleichung (1) kann man das gesamte elektrische Feld der TDD-Antennenfläche berechnen, selbst wenn einige Elemente verschoben sind. Wie aus dieser Gleichung hervorgeht, kann, solange die Amplituden und Phasen einiger HBAs gesteuert werden, auch bei teilweiser Elementverschiebung das Gesamtfeld immer noch dem einer herkömmlichen Topologie ähnlich gemacht werden. Darüber hinaus wird sich das Kreuzpolarisationsverhältnis nicht wesentlich verschlechtern. Diese Eigenschaft ermöglicht eine effektive Steuerung und Optimierung des TDD-Antennen-Arrays bei gleichzeitiger Beibehaltung der gewünschten Leistungsmerkmale.

Allerdings ist es auch mit dieser Topologie immer noch nicht möglich, die gegenseitigen Kopplungseffekte zwischen benachbarten HBAs vollständig zu eliminieren. Um die Miniaturisierung der Basisstation sicherzustellen, fügt dieser Artikel Isolationsstäbe zwischen einigen Elementen hinzu. Basierend auf Messungen werden Isolationsstäbe nur an benachbarten Ports angebracht, deren Isolationspegel größer als -20 dB ist. Dies verhindert übermäßige Verluste im räumlichen elektrischen Feld aufgrund des Vorhandenseins zu vieler Isolationsstäbe. Wie in Abbildung 1 dargestellt, befinden sich innerhalb des TDD-Antennenbereichs Isolationsstäbe 1, die sich entlang der radialen Richtung des Arrays erstrecken, um die beiden Ports mit unterschiedlichen Polarisationen zu isolieren. Darüber hinaus gibt es Isolationsstäbe 2, die sich entlang der 45°-Richtung des Arrays erstrecken, um die beiden Ports mit der gleichen Polarisation zu isolieren. Darüber hinaus ist in Abbildung 1 zu erkennen, dass zwischen den HBAs, die sich dieselbe Stromverteilungsplatine teilen, keine Isolationsschienen angebracht sind. Dies liegt daran, dass dieses Design Filterschaltungen direkt auf der Stromverteilungsplatine integriert. Dieser Ansatz filtert effektiv Ströme von anderen Antennen heraus, die in die jeweiligen Ports fließen, senkt die Kosten erheblich und minimiert die Verschlechterung des Kreuzpolarisationsverhältnisses und der Verstärkung aufgrund der Hinzufügung übermäßiger Isolationsstäbe zwischen den Elementen.
Durch die Verteilung des 5G-Antennenarrays wie in Abbildung 3 und das Hinzufügen der verschiedenen oben erwähnten Isolationsstäbe sind die Simulationsergebnisse in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 4(a) zeigt das vertikale ebene Muster der TDD-Antenne bei 3,5 GHz, wenn der Antennenstrahl mit einem Elevationswinkel von 2° in die Seitenrichtung der Basisstation zeigt, was durch Steuerung der Phasendifferenz der 5G-Elementströme erreicht wird. Abbildung 4(b) zeigt das vertikale ebene Muster der TDD-Antenne bei 3,5 GHz, wenn der Antennenstrahl mit einem Elevationswinkel von 12° in die Seitenrichtung der Basisstation zeigt, was ebenfalls durch Steuerung der Phasendifferenz der 5G-Elementströme erreicht wird.
[Hinweis: Als KI-Sprachmodell habe ich nicht die Möglichkeit, Bilder direkt anzuzeigen. Die oben angegebene Beschreibung bezieht sich auf den in den Bildern beschriebenen Inhalt, und die Bilder selbst sind im Originaldokument oder Forschungspapier zu finden.]

Absolut, durch Einsetzen von Gleichung (3) in die Variation von Gleichung (4) ist es tatsächlich möglich, das elektrische Feld zu berechnen, das von der gesamten Anordnung erzeugt wird, wenn die DSA1-Endantenne relativ zu anderen DSA-Elementen radial verschoben wird. Aufgrund dieses Designs verringert sich die HPBW (Half-Power-Beam-Breite) der Antenne beim Betrieb in den Frequenzbändern 0,69–0,96 GHz und 1,7–2,7 GHz. Diese Verengung der HPBW weist darauf hin, dass der Strahl fokussierter und gerichteter wird, was für die Erzielung einer höheren Verstärkung und einer verbesserten Leistung in bestimmten Anwendungen von Vorteil sein kann.
Die praktischen Ergebnisse des zusammengebauten Arrays mit integrierten Leistungsteilungsschaltungen und externen Komponenten wurden durchgeführt, um die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Designs zu validieren. Die in Abbildung 5 dargestellten Testergebnisse zeigen, dass das Array in allen Frequenzbändern gut funktioniert. Das Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR) wird unter 1,4 gehalten, was eine effiziente Leistungsübertragung und minimale Signalreflexion gewährleistet. Darüber hinaus weist der Strahl keine Verzerrung auf und die Strahlbreite mit halber Leistung (HPBW) bleibt im gewünschten Bereich von 65 ± 10 Grad. Diese Ergebnisse belegen, dass die vorgeschlagene Topologie zuverlässig ist und die erwartete Leistung erbringt.

Um die Wirksamkeit der im Array-Design enthaltenen Isolationsstäbe zu überprüfen, wurde ein Vergleich durchgeführt, indem einige Isolationsstäbe aus dem Array entfernt und die Messergebnisse mit dem gesamten Array-Design verglichen wurden, wie in Abbildung 6 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die Isolation zwischen den MBA1- und MBA2-Antennen bei 1,7–2,0 GHz größer als -20 ist, wenn die Isolationsstäbe 1 und 2, die für den FDD-Antennenbereich verwendet werden, entfernt werden dB, was die Anforderungen für die Basisstationsantenne nicht erfüllt.
Allein durch das Hinzufügen von Isolationsschiene 1 verbessert sich die Isolation im Frequenzbereich von 1,7 bis 2,0 GHz um etwa 7 dB, bleibt aber immer noch hinter den Antennenanforderungen der Basisstation zurück. Wenn jedoch sowohl Isolationsschiene 1 als auch Isolationsschiene 2 gleichzeitig installiert werden, bleibt die Isolation über den gesamten Betriebsfrequenzbereich unter -28 dB und erfüllt damit die Spezifikationen für die Basisstationsantenne. Diese Ergebnisse bestätigen den erheblichen Einfluss der Isolationsstäbe auf die Verbesserung der Isolation zwischen Antennen und die Gewährleistung der Leistungskriterien für die gesamte Basisstationsantenne.

Abschluss
In dieser Studie haben wir ein Design für ein Basisstationsantennenarray vorgeschlagen, das FDD- und TDD-Funktionalitäten kombiniert. Durch die Verwendung einer koaxialen Konfiguration von DSA-Antennen mit LBA und MBA haben wir den gesamten Platzbedarf von LBA und MBA in der Basisstation reduziert. Um den effektiven Betrieb von MBA und DSA mit reduziertem Abstand sicherzustellen, haben wir verschiedene Isolationsschienen verwendet, um verschiedene Ports zu isolieren, sodass der FDD-Antennenbereich sowohl in den Frequenzbändern 0,69–0,96 GHz als auch 1,7–2,7 GHz gut funktioniert.
Um den unabhängigen Betrieb jeder FDD-Antennenarray-Säule in der Basisstation zu gewährleisten, haben wir zwei FDD-Antennenarrays auf beiden Seiten der Basisstation platziert, um sicherzustellen, dass es zu keinen Interferenzen zwischen den beiden Säulen kommt. Darüber hinaus haben wir die DSA1-Endantenne im Vergleich zu anderen DSA-Antennen radial falsch ausgerichtet, um die Strahlbreite in den Frequenzbändern 0,69–0,96 GHz und 1,7–2,7 GHz zu verringern. Im Bereich der TDD-Antennen nutzten wir eine teilweise axiale Fehlausrichtung der HBA-Einheiten und kombinierten sie entsprechend mit verschiedenen Arten von Isolationsstäben, um die Isolation zwischen den einzelnen HBA-Einheiten zu optimieren und so eine optimale Leistung des HBA-Arrays sicherzustellen.
Durch praktische Messungen haben wir die Zuverlässigkeit dieses Designs überprüft und erfolgreich eine Miniaturisierung des FDD+TDD-Arrays erreicht. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die weitere Optimierung des Arrays durch die Einführung effizienterer Reflektoren konzentrieren, um eine höhere Verstärkung bei gleichzeitiger Beibehaltung seiner kompakten Größe zu erreichen.
Dieses Design reduziert die Größe des FDD+TDD-Basisstationsantennenarrays erheblich, ohne seine Leistung zu beeinträchtigen, was es auf den zukünftigen 5G- und sogar 6G-Märkten äußerst wettbewerbsfähig macht.
★Scannen Sie den QR-Code, um auf den vollständigen Artikel über CNKI (China National Knowledge Infrastructure) zuzugreifen und ihn herunterzuladen. ★Originalartikel veröffentlicht in Mobile Communications, 2022, Ausgabe 3. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2022.03.010 Chinesische Bibliotheksklassifikationsnummer: TN929.5 Dokumentidentifikationscode: A Artikel-ID: 1006-1010(2022)03-0055-07
Autorenprofile: Liu Mulin: Leitender Ingenieur, hat einen Master-Abschluss von der Xidian University, ist derzeit Vizepräsident und Antennenabteilungsleiter bei Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd. und beschäftigt sich hauptsächlich mit der Entwicklung und Forschung von Antennenprojekten. Yue Cailong: Hat einen Bachelor-Abschluss von der University of Electronic Science and Technology of China und ist derzeit als Forschungs- und Entwicklungsmanager bei Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd. tätig. Er ist hauptsächlich in der Forschung und Entwicklung von Antennen tätig und konzentriert sich auf das Design von Multifrequenz-Mehrsystemprodukten, das Design von Ultrabreitbandeinheiten, das Design von Phasenverschiebungsnetzwerken und das Design von Array-Topologien.