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摘要：在4G移动通信中，MIMO技术已经得到大规模的研究，它提高了频谱功率强度和信号的传输速率，同时还能降低信号传输过程中的衰落，在高密度高热量的应用场景中得到了广泛的商用。但4GMIMO技术在提高频谱功率方面还有存在着一些信号干扰、电磁兼容及辐射面积有限等问题，在5G移动通信网络的基站与无线终端设备间的应用还有待加强。大规模阵列天线是针对传统MIMO中的信号传播损耗等问题为出发点进行研究。
关键词：4G移动通信频谱功率电磁兼容大规模阵列天线
放眼全世界，当今的4GLTE通信网络已经得到了大规模部署和推广商用，移动互联网及物联网等应用场景得到越来越多的研究学者及用户的关注，ICT的大规模发展让移动设备对网络的传输时延、覆盖范围、可靠性及热点区域容量的业务等商用需求越来越高，需要我们对4G网络进行不断完善，加快建设5G通信网络。
在4G移动通信中，MIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出）技术已经得到大规模的研究，MIMO提高了频谱功率强度和信号的传输速率，同时还能降低信号传输过程中的衰落，它在高密度高热量的应用场景中得到了广泛的商用。但4GMIMO技术在提高频谱功率方面还有存在着一些信号干扰、电磁兼容及辐射面积有限等问题，MIMO技术在5G移动通信网络的基站与无线终端设备间的应用还有待加强。
1、传统阵列天线
（1）传统阵列天线概念
MIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多入多出技术）是4G发展而来的主要天线技术，其物理含义是使用多个天线同时工作在基站发射端和设备接收端，使得信号在多个天线间同时进行发送与接收的全双工模式，以达到提升通信质量的需求。MIMO技术在4GLTE移动通信网络中展现了其主要优势，其一是可以充分利用电磁空间资源，其二是可以大幅度提高电磁空间的信道容量，因MIMO实行多天线同时发送和接收方式，可以在不新增频谱资源和天线发射功率的场景中工作，体现其优势。
（2）传统阵列天线问题
4G通信网络技术中，应用最广泛的是传统的阵列天线MIMO，但它也存在着一些问题，其问题主要体现在信号传输过程中产生的分散，导致接收端接收的信号准确度低且不稳定。
从电场方便看，传统阵列天线密度高，电场在信号传播的自由空间内不断地叠加，在某种程度上导致了如今传输不稳定的情况。同时，为了相对提高信号传输的密度，阵列天线的基站建设较为密集，这样也会造成频谱覆盖范围重叠、信号传输波动和移动终端资源浪费等问题。
从磁场方面看，基站天线的辐射强度对移动终端设备接收情况有很大的影响。空间波差在传播中同时不间断的传播，不仅给传播设备造成一定的压力，同时使得移动终端设备接收的信号不稳定、质量不达标。
传统阵列天线有以上问题的原因，主要是信号传播过程中，数据串联导致相关矩阵的系数收到影响。要解决此问题，可以从系统控制的完善度和天线的传输特性着手。
2、大规模阵列天线
（1）大规模阵列天线特点
大规模阵列天线（MassiveMIMO），又称作Large-scaleMIMO，是针对传统阵列天线中的信号传播损耗等问题为出发点进行研究，其主要是将上百根天线（一般情况128根或者192根）安装在基站端，以实现阵列天线同时发射信号数据。
与传统的阵列天线MIMO相比较，大规模阵列天线的区别主要在于：当天线大规模集中时，天线数量趋于无穷，其辐射的电磁波的信道之间趋向于正交。在大规模阵列天线的场景中，电磁系统的大部分性能与小尺度无关，大多都只和大尺度有关。
（2）大规模阵列天线设计方向
大规模天线的增益技术主要分为四个方面：阵列增益、分集增益、干扰抑制增益和空间复用增益。其中最主要的增益是空间复用增益，它的工作原理是：MassiveMIMO技术继承了MIMO技术核心基础，同时利用了空间分集技术以使得大规模阵列天线能有效地提升信号传输的鲁邦特性。根据行业内现有的研究表明，大规模紧耦合阵列天线的能有效地节省网络资源、提高传输效率，是5G大规模阵列天线主要标准之一。
3、大规模阵列天线辐射场
在5G通信网络技术快速发展的趋势下，大规模阵列天线的设计与分析计算有着十分重要的意义和作用。传统阵列分析的方法主要是全波方法，比如，FEM（FiniteElementMethod，有限元法）、MoM（MethodofMoment，矩量法）、FDTD（FiniteDiscreteTimeDomain，时域有限差分法）。但在如今的大规模阵列天线的应用场景中，具有尺寸大、空间复杂、材料多样等的特点，使用以上几种全波方法将会产生耗费巨大计算资源和时间等问题。因此，AEP（ActiveElementPattern，有源单元方向图）的计算方法被提出。
（1）有源单元方向图计算原理
AEP（ActiveElementPattern，有源单元方向图）的计算原理是通过叠加阵列天线所有的阵列因子及子单元的有源方向图得到总阵列的辐射方向图，理论上，在阵列天线规模足够大的情况下，可将阵列中各单元的有源单元方向图等效认为是一致的。因此，在计算时，可以用小型阵列天线的各单元有源方向图来等效分析大规模阵列天线在相似环境下的各单元有源方向图，从而减少了叠加计算单元有源方向图的计算量[14]。
（2）有源单元方向图计算方法
AEP（ActiveElementPattern，有源单元方向图）在使用计算时，需要在以下理论前提的情况下，由于大规模阵列天线的尺寸和天线单元尺寸存在着巨大的差异，大规模阵列天线的Fresnel（菲涅尔公式）近场区与天线单元辐射的远场区基本吻合，因而AEP计算方法可以适用于大规模阵列天线辐射Fresnel近场区。第一步先获得大规模阵列天线的端口特性，第二步根绝天线单元辐射的远场区数据分析计算求得大规模阵列天线的Fresnel近场区特性。传统近场区计算方法相较于计算远场区方法不同之处在于，近场区计算时相位中心会随着天线的变化而变化，AEP计算方法则可保证精度并减低计算的复杂度。
在当代通信快速发展的过程中，大规模阵列天线间的电磁干扰问题越来越严重，解决电磁兼容性问题越来越迫切。如今，阵列天线运用最广泛的场景主要是军事领域，例如在船舶航舰平台上，阵列天线的规模大约有数十平方米。阵列天线运用的平台大多像上述舰载平台一样，运用在天线阵列的辐射近场区，因而要解决电磁辐射中的电磁兼容问题，主要需要关注阵列天线辐射近场区的研究和设计。
结语：
自移动通信发展以来，天线技术的发展趋势由传统阵列天线向大规模阵列天线的技术发展。本文根据大规模天线的增益技术浅要介绍了大规模阵列天线类型之一的紧耦合阵列天线的理论研究和设计理念，在如今的大规模阵列天线的场景，提出了AEP（有源单元方向图）的计算方法，分析其具体的应用特性。
参考文献：
[1]林泽祥,兰强.天线的电磁兼容技术[J].电波科学学报,2007,(1):170-173.
[2]王欣.超宽带无线通信发射系统的电磁兼容研究[D].河北:河北工业大学,2011.
[3]赵元苏.5G通信信道编码研究综述[J].北京工业职业技术学院学报,2017,(1).
[4]张臻.5G大规模紧耦合阵列天线简析[J].电信快报,2016.09,(67):20-22.