5G一體化天線解決方案及AFU集成技術

劉培濤，陳禮濤，黃立文，蘇國生，卜斌龍

（京信通信技術有限公司，廣州510730）

1 引言

隨著5G時代的到來，基站天線作為支撐5G規模化商用的關鍵技術，面臨著新的技術挑戰和發展趨勢。根據應用場景的不同，5G基站天線將會同時存在無源基站天線（Base Station Antenna，BSA）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）兩種形態。其中，基于大規模多入多出（Massive MIMO）技術的64T64R甚至128T128R有源天線，由于具備更精確和更高自由度的波束賦形能力[1-2]，可顯著提高Massive MIMO系統的頻譜效率，從而提升網絡容量，將會是5G時代天線的典型產品類型。射頻通道數量劇增以及有源化不僅對5G基站天線的體積、重量、功耗、成本提出了更高的設計要求，也使得AAU[3-4]的天線模塊和射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）均面臨結構更復雜、制作工藝更精細的問題。因此，如何實現高性能、一體化、高集成化的設計既是5G天線的重要發展方向[5]，也是當下必須解決的技術難點。

本文提出了幾種將RRU的濾波器與天線集成的AFU（Antenna&Filter Unit）技術[6]，并在此技術基礎上延伸融合塑料金屬化技術[7-8]，旨在實現基站天線的小型化、輕量化及一體化，滿足5G技術需要。

2 5G一體化天線解決方案

2.1 帶獨立整體屏蔽腔體的AFU設計

圖1 給出了一種5G天線一體化設計的解決方案，具體如下。

圖1 帶獨立整體屏蔽腔體的AFU天線

一種帶獨立整體屏蔽腔體的AFU天線包括若干一體化天線模塊、反射板、介質濾波器模塊、濾波器的PCB饋電板及一體化屏蔽腔體。其中，一體化天線模塊包括塑料基材、形成于該塑料基材表面的饋電網絡線路層及鍍設于塑料基材一側并由饋電網絡線路層饋電的多個輻射單元；多個介質濾波器集成在濾波器的PCB饋電板上構成介質濾波器模塊，每個介質濾波器模塊的輸出端均與饋電網絡線路層電連接，一體化屏蔽腔體形成于塑料基材背向輻射單元的一側并同時屏蔽介質濾波器模塊的所有介質濾波器。介質濾波器尺寸小，重量輕，以京信通信3.5 GHz介質濾波器為例，其尺寸為30 mm×17 mm×7 mm，重量為10 g，而常規金屬腔體濾波器尺寸為68 mm×25 mm×20 mm，重量為40 g，對于64通道5G天線而言，64個濾波器的重量一共可減少1920 g。

上述帶獨立整體屏蔽腔體的AFU天線通過將饋電網絡線路及輻射單元集成于塑料基材上，同時采用一體化屏蔽腔體對收容于內部的介質濾波器模塊提供屏蔽作用，方便地實現了天線與濾波器的一體化集成，減少了傳統AAU中天線與RRU之間射頻連接件的使用，并能極大地簡化RRU的結構和布局，降低了成本，同時使得系統整體尺寸減少10%，重量減輕33%。

為了進一步改善濾波器與天線模塊集成的電氣性能，設計了一種帶獨立整體屏蔽腔體的AFU天線的一體化屏蔽腔體，其結構如圖2所示。帶獨立整體屏蔽腔體的AFU天線還可以在一體化屏蔽腔體側邊的端面上設計導電膠帶，在屏蔽腔內表面中部區域設計導電薄棉，通過導電泡棉和導電膠帶連通屏蔽腔與介質濾波器的相應表面，使介質濾波器實現多面接地，保證屏蔽效果，從而能抑制表面電流輻射造成的高頻雜波，對提升AFU天線的指標具有較好的效果。

圖2 帶獨立整體屏蔽腔體的AFU天線的一體化屏蔽腔體設計

天線與濾波器級聯的電路及信號流圖見圖3，天線與濾波器用傳輸線級聯后，可通過信號流圖計算出級聯后的反射系數。

圖3 天線與濾波器級聯的電路及信號流圖

由公式（1）可知，天線與濾波器互聯時，反射系數與濾波器的S參數、連接傳輸線、天線的反射系數有關，如果未做匹配直接相連，級聯后的阻抗可能會失配，整體電路性能會惡化。在傳統的AAS（Active Antenna System）中，濾波器通常在設備端，通過盲插接頭與天線相連，在實際使用中，天線與濾波器是隨機搭配使用的，不同的S參數級聯容易導致電路性能變差。而在AFU中，天線與濾波器直接級聯，比盲插接頭更加可靠，同時通過一體化設計，在研發階段優化電路性能，在生產時也能通過濾波器及天線的測試，保證從部件到整機的性能。

2.2 集成式屏蔽腔體的AFU技術

本文還提供了5G一體化天線的另一種解決方案，即集成式屏蔽腔體的AFU技術，該技術包括以下兩種具體的設計結構。

集成濾波器屏蔽腔體的AFU天線，包括一體化介質基體、若干濾波器模塊及濾波器模塊的屏蔽蓋、至少一個輻射單元、天線饋電網絡電路及反射板。其中，一體化介質基體通過注塑工藝成型，包括饋電網絡基板和濾波器屏蔽腔基體結構，所述濾波器屏蔽腔基體結構為一面開口的內空結構。具體而言，圖4為第一種集成式屏蔽腔體的AFU天線結構，濾波器屏蔽腔基體結構的開口與輻射單元位于同一側，圖5為第二種集成式屏蔽腔體的AFU天線結構，濾波器屏蔽腔基體結構的開口背向輻射單元的一側設置。濾波器模塊包括介質濾波器及其PCB饋電板，介質濾波器可焊接在PCB饋電板上，PCB饋電板對介質濾波器起支撐作用并可集成低通濾波線路，所述濾波器模塊安裝在濾波器屏蔽腔基體的內空結構里。輻射單元采用金屬片或者是附著于介質板上的金屬層，輻射單元的饋電巴倫柱也集成在一體化介質基體上，饋電巴倫線路附著于介質巴倫柱的表面，所述輻射單元與饋電巴倫線路耦合電連接，或者是通過焊接實現直接電連接。天線饋電網絡電路通過電鍍、化學鍍或者LDS（Laster Direct Structuring）等工藝形成于饋電網絡基板的表面，在饋電網絡基板的另一表面相對應地形成有饋電網絡電路的金屬地層，該饋電網絡電路的金屬地層可與濾波器屏蔽腔基體結構表面的金屬層之間直接連接形成一體。所述濾波器屏蔽腔基體的內/外表面附著金屬層，與屏蔽蓋共同構成完整濾波器屏蔽結構，濾波器屏蔽腔基體結構內還形成由一體化介質基體提供的第一固定柱和濾波器的饋電柱，其中，第一固定柱穿過所述濾波器模塊上開設的通孔結構，通過燙熔工藝融化凸出濾波器的第一固定柱，實現濾波器模塊的固定；濾波器饋電柱上附有饋電金屬層線路，通過濾波器模塊的PCB饋電板上的饋電金屬孔焊盤與背面的饋電網絡電路連接。饋電網絡基板上還形成第二固定柱，該第二固定柱穿過濾波器屏蔽蓋上的通孔，并進一步通過燙熔工藝融化凸出部分以將屏蔽蓋固定于濾波器模塊上。AFU天線的反射板設置相應的避讓窗口，避讓濾波器屏蔽基體結構。

圖4 第一種集成式屏蔽腔體的AFU天線結構

圖5 第二種集成式屏蔽腔體的AFU天線結構

上文提供的AFU天線設計方案，通過將濾波器屏蔽腔基體結構、饋電網絡基板、饋電巴倫柱及濾波器饋電柱由同一介質基體一體化注塑成型，饋電網絡電路、輻射單元的饋電巴倫電路及濾波器屏蔽腔基體上的金屬屏蔽層均在介質基體上對應一體化鍍設，同時附加屏蔽蓋實現濾波器模塊的屏蔽；并且濾波器模塊、濾波器的屏蔽蓋、反射板、輻射單元都可以通過熱熔與介質基體一體集成的相應固定柱實現部件之間的安裝固定，整體結構簡潔，有利于降低RRU結構和布局的設計難度。傳統的一體化屏蔽腔（見圖2）尺寸較大，通過導電泡棉和導電膠帶連通屏蔽腔與介質濾波器的相應表面，實現濾波器的充分接地，保證屏蔽腔的屏蔽效果，從而抑制表面電流輻射造成的高頻雜波，否則容易產生干擾；而集成式屏蔽腔體為每個濾波器設置了一個腔體，不僅能屏蔽外部信號干擾，也能提升濾波器之間的隔離度，屏蔽效果更佳，可提升系統整體的電氣性能。集成式屏蔽腔采用介質基體一體化注塑成型，重量可比常規金屬腔體減少約20%，同時集成度更高，降低了總體生產制造成本。

3 塑料金屬化輻射單元技術

天線的輻射單元用于導向和放大電磁波，是基站天線的核心部件。5G網絡采用Massive MIMO天線技術，天線通道數的增加將導致輻射單元數量劇增，傳統鈑金工藝、壓鑄工藝或者PCB工藝制作的輻射單元在重量和成本上劣勢凸顯，不適用于5G的發展需求。行業內新提出的塑料金屬化輻射單元技術是指采用低損耗、耐高溫、介電常數穩定的工程塑料作為輻射單元的介質基體，再在介質基體表面進行電鍍/化鍍/LDS等工藝形成金屬層的技術，能在減輕天線重量、減小天線體積的同時保證輻射特性優，兼具小型化、輕量化、一體化和低成本的綜合優勢，是當下通信行業各大廠商研究的熱點。

本文還提出了一種在上文介紹的AFU設計方案的基礎上，將塑料金屬化輻射單元技術同時應用于天線系統的設計方案，可使5G天線產品具備更高程度的小型化和集成化，具體設計如圖6所示。

圖6 展示了采用塑料金屬化輻射單元的AFU天線，其創新點在于輻射單元采用介質基材與包括饋電網絡基材和濾波器屏蔽腔基體結構的介質基體一體化注塑成型，一體化介質基板的表面局部凸起形成輻射單元的輻射基體，在輻射基體的頂面采用選擇性電鍍或者LDS工藝形成輻射金屬層，所述輻射單元的四點反相饋電線路在輻射基材的下表面和內壁采用選擇性電鍍或者LDS工藝與介質基板背面的饋電網絡電路部分一體化形成、無斷面焊接；所述輻射金屬層與四點反相饋電線路通過金屬化過孔電性連接。具體而言，輻射單元的四點反相饋電線路包含兩個反相線路，分別為＋45°極化饋電線路和－45°極化饋電線路；其中一路反相饋電線路在兩路反相饋電線路交叉處通過金屬化過孔實現跳線連接，如此可以實現輻射單元與饋電網絡、濾波器的一體化高度集成設計，整體結構簡單、尺寸穩定性更好、重量小、零件數量少，與常規方案相比節省了輻射單元裝配及焊接的時間，單模塊生產時間可下降70%，大幅降低了工藝制造成本。

圖6 采用塑料金屬化輻射單元的AFU天線結構

此外，上述介質基體上還集成了校準網絡電路，校準網絡電路設置在介質基體的背向輻射單元的一側表面上，其金屬地層設置于介質基體相對的另一側表面上，如此可進一步將校準網絡與輻射單元饋電網絡集成，更加有利于5G天線的小型化和輕量化發展。

可見，在AFU技術的基礎上對輻射單元采用塑料金屬化設計，通過一體成型的塑料基體，突破了傳統金屬振子的重量極限，通過使天線具備更高程度的集成，可進一步實現天線系統的小型化、輕量化和一體化，大幅降低生產制造的成本，簡化有源天線單元的整體結構，滿足5G通信系統的高集成度要求，應用前景廣闊。

4 結論

AFU技術作為5G網絡系統的有效解決方案，是5G網絡系統未來主流的發展趨勢之一。本文提供了幾種AFU技術的具體解決方案，通過天線與濾波器的一體化設計，去除常規5G天線中濾波器與天線之間相連的盲插接頭組件，性能更加可靠，同時簡化了天線布局，成本更低，可實現產品的小型化、輕量化。通過濾波器與天線的一體化高度集成，可在最大程度上優化AFU的性能。塑料金屬化工藝在屏蔽腔體及輻射單元等部件的應用提升了零部件集成度，減小了天線重量，并且易于加工制作，提升了生產效率，具有較高的工程應用意義。