小型化雙頻輻射單元技術(shù)

劉正貴，孫彥明，范雄輝

（武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

0 引言

在4G、3G甚至2G還沒完全下線的情況下，5G商用的一個重要挑戰(zhàn)是開發(fā)多頻段基站天線，包括與現(xiàn)有4G、3G以及2G基站天線的融合[1]，也包括對多個運營商5G工作頻段的兼容。這種情況下，多頻化或?qū)掝l化就成了大家研究的主要方向。

5G的另外一個挑戰(zhàn)就是小型化。隨著電子器件和電路系統(tǒng)向著小型化、集成化、多功能的方向發(fā)展，留給天線的空間越來越小，這就要求在設(shè)計天線時要盡可能降低天線的剖面高度與尺寸，在保證優(yōu)良性能的前提下盡可能減小天線尺寸是目前研究的重點[2]。對制造商而言，減小尺寸和重量，也可以降低包裝成本、運輸成本；對運營商而言，可以降低對基站鐵塔的強度要求，進(jìn)而使建設(shè)支出減少。

輻射單元作為陣列天線的核心，主要用于無線電波的發(fā)射和接收。所謂基站天線的寬頻化和小型化，一個重要的前提就是輻射單元的寬頻化和小型化。針對5G陣列天線，傳統(tǒng)的4G鋁合金壓鑄形式輻射單元由于重量大，已經(jīng)不適用于重量輕的集成度高的產(chǎn)品了，而相應(yīng)的PCB形式輻射單元和耐高溫的塑料形式輻射單元被廣泛應(yīng)用。

目前國內(nèi)外廠家從成本、工藝、指標(biāo)等方面著手，陸續(xù)開發(fā)出了2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz小型化單頻輻射單元及大規(guī)模陣列天線，而多頻小型化輻射單元還在研究中。本文根據(jù)市場產(chǎn)品需求，設(shè)計了一款2.6 GHz/3.5 GHz寬頻小型化輻射單元，并應(yīng)用于對應(yīng)的大規(guī)模陣列天線中，在滿足性能指標(biāo)要求的情況下，盡量減小成本及重量。

1 寬頻化可行性分析

我國在Sub-6GHz頻段分別為中國移動分配了2 515—2 675 MHz和4 800—4 900 MHz頻段的5G頻率資源；為中國聯(lián)通分配3 500—3 600 MHz頻段的5G頻率資源；為中國電信分配了3 400—3 500 MHz頻段的5G頻率資源，為中國廣電分配了4 900—5 000 MHz頻段的5G頻率資源。能同時兼容多個工作頻段的5G陣列天線，最大程度地利用天面資源和降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，是5G通信發(fā)展的必然趨勢。無論是PCB輻射單元，還是采用LDS（Laser Direct Structuring，激光鐳雕成型）技術(shù)實現(xiàn)模塑一體化成型的塑料輻射單元，基本形式和傳統(tǒng)的4G壓鑄輻射單元一致，僅載體不同而已。三種輻射單元載體形式如圖1所示。

由圖1可看出，輻射單元主要由輻射體和饋電巴倫兩部分組成，其原理是電流通過饋電巴倫對輻射體激勵，形成對空間輻射的電磁場。激勵方式可分為耦合饋電方式和直接饋電方式，而通常的輻射體為patch或者dipole結(jié)構(gòu)。

如圖1（a），傳統(tǒng)的壓鑄輻射單元工作頻段可實現(xiàn)1 710—2 690 MHz，甚至1 495—2 690 MHz，相對帶寬分別為44%和57%，而5G通信中兼顧中國移動和中國電信或中國聯(lián)通的2.6 GHz（2 500—2 700 MHz）和3.5G Hz（3 400—3 600 MHz）的相對帶寬為36%，即使在考慮海外運營商工作頻段（3 300—3 800 MHz）的情況下，相對帶寬也僅為41%。在工作原理一致的情況下，5G輻射單元PCB形式或者LDS形式實現(xiàn)寬頻化或者雙頻是可行的。

實現(xiàn)寬頻的方法很多，雙層輻射面產(chǎn)生雙諧振點的方法是較為常見的擴(kuò)展帶寬手段，同時饋電形式采用耦合饋電可進(jìn)一步實現(xiàn)寬頻。

2 小型化可行性分析

在基站天線領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)（Massive MIMO）被認(rèn)為是未來5G最具潛力的傳輸技術(shù)，5G基站將傳統(tǒng)的射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）與天線系統(tǒng)集成為一體，擠壓了天線系統(tǒng)的設(shè)計空間，對5G輻射單元提出了小型化的要求；同時，由于一個5G天線內(nèi)部往往存在上百個輻射單元，這就要求輻射單元結(jié)構(gòu)盡可能簡單牢靠。如圖2所示，陣列垂直方向每三個振子組成一個通道，共四個通道。

圖1 不同載體的輻射單元示意圖

圖2 3×4 MIMO陣列布局

以中國移動2.6 GHz 64通道192單元大規(guī)模陣列天線為例，垂直方向三個輻射單元級聯(lián)為1個通道，通道內(nèi)輻射單元間距記為dx；水平方向通道間輻射單元間距記為dy。單元間距要求dx=56 mm，dy=68 mm。

電磁波傳播的波長如式(1)所示：

c：波速（光速，真空中約等于3×10^8 m/s)

f：頻率

根據(jù)式(1)，2.6 GHz中心頻率對應(yīng)的波長為115 mm，對應(yīng)的dx=56 mm=0.48λ，dy=68 mm=0.59λ，考慮到尺寸遠(yuǎn)小于λ，通道內(nèi)輻射單元之間的耦合和通道間輻射單元的耦合很大，因此在邊界不能改變的情況下，減小輻射單元尺寸是一種重要的去耦手段。

輻射單元的長度取決于單元的電長度，是由輻射單元的中心頻點決定，要實現(xiàn)輻射單元的小型化需要減小輻射面的尺寸和饋電巴倫的高度，同時不造成關(guān)鍵指標(biāo)惡化，不同邊界條件和輻射單元尺寸如圖3所示。

圖3 不同陣列間距對應(yīng)的輻射單元

根據(jù)邊界要求，輻射單元對應(yīng)的電磁仿真結(jié)果如表1所示。

如圖3所示，一般輻射單元設(shè)計采用四分之一波長的巴倫高度，通過優(yōu)化對應(yīng)的輻射邊界，可以降低輻射單元高度，可從λ/4下降到λ/8。即采用振子片連接技術(shù)及饋電自消技術(shù)，克服以前必須要求饋電座高度為四分之一波長的限制，從而實現(xiàn)八分之一甚至更矮的饋電高度情況下對稱振子的輻射特性[3]。

輻射單元的小型化，關(guān)鍵在于輻射面小型化和巴倫高度，其對電路參數(shù)和輻射參數(shù)影響較大，以2.6 GHz輻射單元為例，滿足如下兩個條件的輻射方向圖結(jié)果將如表1所示：

（1）陣列間距dx=56 mm，dy=68 mm

（2）輻射單元初始尺寸39×39×14 mm

下面將針對不同輻射面大小和不同巴倫高度對輻射單元指標(biāo)的影響進(jìn)行研究。

2.1 輻射面大小對指標(biāo)的影響

輻射面大小由39×39 mm改成44×44 mm，對應(yīng)電磁仿真結(jié)果如表2所示。

由表2可知，輻射面大小對輻射方向圖影響較小，但會造成諧振點偏移，輻射面尺寸越大，對應(yīng)的波長增大，諧振點偏向低頻段。

2.2 巴倫高度對指標(biāo)的影響

巴倫高度由14 mm改成28 mm，對應(yīng)電磁仿真結(jié)果如表3所示。

由表3可知，巴倫高度對波寬和增益影響較大，巴倫越高，對應(yīng)的垂直波寬和水平波寬越寬，增益越低。

表1 不同陣列間距下的2.6 GHz輻射單元

表2 輻射面大小對指標(biāo)的影響

表3 巴倫高度對指標(biāo)的影響

綜上所述，目前5G大規(guī)模陣列天線的垂直面輻射單元間距和水平面輻射單元列間距變小的情況下，輻射單元必須以低剖面的形式實現(xiàn)。

相對于傳統(tǒng)的4G壓鑄輻射單元，PCB輻射面載體可采用成本較低的FR-4，巴倫可采用特性穩(wěn)定的PTFE材料，相同尺寸大小輻射單元單價可減小50%以上。目前行業(yè)內(nèi)塑料振子以單體形式應(yīng)用不多，單價基本與壓鑄振子持平，主要材質(zhì)是LCP，而應(yīng)用較多的是基于PPS材料的多合一結(jié)構(gòu)輻射單元，將輻射單元和功分網(wǎng)絡(luò)集成在一起，相對于常規(guī)的輻射單元和功分網(wǎng)絡(luò)板成本更低。

3 寬頻及小型化輻射單元設(shè)計

為最大程度利用天面資源和降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，目前主設(shè)備上針對大規(guī)模天線要求設(shè)計包含2.6 GHz/3.5 GHz（2 496—2 690 MHz/3 400—3 600 MHz）工作頻段的32TR/32TR雙頻5G大規(guī)模天線，能同時滿足中國移動和中國聯(lián)通，或中國移動和中國電信的共站建設(shè)需要。該天線技術(shù)方案需設(shè)計2 496—2 690 MHz/3 400—3 600 MHz雙頻輻射單元。

陣列的總體架構(gòu)的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖如圖4 所示，天線罩內(nèi)表面到移相器網(wǎng)絡(luò)、傳動結(jié)構(gòu)最下端尺寸不大于4 5 mm，天線罩內(nèi)表面到振子面距離應(yīng)大于5 mm，天線反射板下表面到移相器網(wǎng)絡(luò)、傳動結(jié)構(gòu)最下端尺寸小于或等于14 mm（厚度要求：A≥5 mm，A+B+C≤45 mm，C≤14 mm）。根據(jù)以上要求分解得到，對應(yīng)的2.6 GHz/3.5 Hz雙頻輻射單元，最大高度＜22 mm。其中反射板2 mm，饋電網(wǎng)絡(luò)板1 mm，功分合路網(wǎng)絡(luò)板1 mm，輻射面尺寸≤40 mm×40 mm。

圖4 整體布局圖

傳統(tǒng)的4G陣列天線2.6 GHz/3.5 GHz雙頻輻射單元尺寸為37×37×24 mm，需要間距dx=70 mm，dy=90 mm的邊界條件才能滿足指標(biāo)要求，而5G大規(guī)模雙頻陣列天線通道間距要求dx=52，dy=62.5 mm，因此在這個邊界情況下，繼續(xù)采用常規(guī)輻射單元尺寸會造成輻射單元之間耦合大，隔離度難滿足指標(biāo)，同時方向圖變形嚴(yán)重。根據(jù)2.2節(jié)巴倫高度對指標(biāo)的影響分析可知，在dx=52，dy=62.5 mm的邊界條件下，需要減小巴倫高度來實現(xiàn)輻射單元在dx=70 mm，dy=90 mm邊界條件下的同等指標(biāo)，通過HFSS仿真可確定輻射單元尺寸37×37×15 mm指標(biāo)最優(yōu)。本設(shè)計輻射面采用FR-4，巴倫采用的是介電常數(shù)為4.38的Kappa 438作為介質(zhì)基板，厚度均為40 mil，PCB形式輻射單元相對于模塑一體的輻射單元，在成本、設(shè)計靈活度和開發(fā)周期上有一定的優(yōu)勢，輻射單元利用雙層輻射面相互耦合產(chǎn)生兩個諧振點來實現(xiàn)雙頻特性，同時采用耦合饋電方式進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬。仿真模型如圖5所示。

圖5 電磁仿真模型

圖5 中，巴倫1 和巴倫2 由兩種雙面P C B 載體組成，分別沿+45°和-45°方向垂直設(shè)置，巴倫PCB載體兩面分別印刷了耦合饋電線和接地面，巴倫PCB載體上端穿過輻射體，且實現(xiàn)接地面與輻射體上的輻射面電氣連接；下端穿過功分板，實現(xiàn)耦合饋電線與功分板電路電氣連接，接地面與功分板地相連接，并固定在反射板上，這是半波對稱振子的基本結(jié)構(gòu)，當(dāng)激勵增加在功分板電路上時，電流沿耦合饋電線對第一層輻射面進(jìn)行耦合饋電，第一層輻射面末端通過耦合對第二層輻射面進(jìn)行饋電，產(chǎn)生兩個諧振點，實現(xiàn)雙頻特性。

電磁仿真2.6 GHz/3.5 GHz電壓駐波比如圖6所示。E面輻射方向圖仿真如圖7所示。H面輻射方向圖如圖8所示。

由圖所示，單個輻射單元在2 496—2 690 MHz/3 400—3 600 MHz頻段駐波比＜1.6，2.6G增益＞8.2 dBi，3.5G增益＞8.28 dBi，增益指標(biāo)與表1、表2、表3所示的一般輻射單元性能指標(biāo)一致，因此該寬頻及小型化輻射單元設(shè)計是可實現(xiàn)的，同時能滿足陣列天線分解后模塊的基本要求。

4 結(jié)束語

本文通過與傳統(tǒng)的4G輻射單元的對比，分析了5G輻射單元實現(xiàn)寬頻化和小型化的可能性，并在此基礎(chǔ)上，采用PCB載體方案設(shè)計了一種2.6 GHz和3.5 GHz雙頻小型化輻射單元，同時提供了模塊仿真的駐波比和增益兩個關(guān)鍵指標(biāo)。仿真結(jié)果顯示，該設(shè)計滿足了5G大規(guī)模陣列天線的基本要求。

圖6 電壓駐波比

圖7 2.6 GHz/3.5 GHz E面輻射方向圖

圖8 2.6 GHz/3.5 GHz H面輻射方向圖