一、研究背景

為了滿(mǎn)足關(guān)鍵性能指標(biāo)，第五代移動(dòng)通信（5G）系統(tǒng)采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中大規(guī)模多輸入多輸出(MassiveMultiple-Input and Multiple-Output, mMIMO)技術(shù)是目前公認(rèn)的關(guān)鍵無(wú)線技術(shù)，在大幅度提高信道容量、抑制衰落、提高信息傳輸可靠性等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。mMIMO技術(shù)導(dǎo)致基站天線的數(shù)量急劇增加。目前的基站主流配置是基帶單元(BasebandUnit, BBU)與有源天線處理單元(ActiveAntenna Unit, AAU)相組合，如圖1(a)所示，基站中天線數(shù)量的飛速增加直接導(dǎo)致AAU的投影面積迅速增大，這不可避免地產(chǎn)生了較大的風(fēng)阻，導(dǎo)致其安裝難度增大、安全性與可靠性變差。風(fēng)阻急劇增大帶來(lái)的不利影響對(duì)于工作在sub-6GHz頻段的超大規(guī)模基站天線陣列尤為明顯，已經(jīng)成為限制陣元數(shù)量增加、阻礙輻射性能提高的重要原因之一。為此，有必要擴(kuò)展對(duì)基站天線的多物理場(chǎng)研究，設(shè)計(jì)低風(fēng)阻天線結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足天線電磁性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低風(fēng)阻。

風(fēng)阻主要受到三個(gè)因素的影響：阻力系數(shù)、投影面積、動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)。阻力系數(shù)取決于物體的形狀，該形狀越是有利于空氣流動(dòng)，阻力系數(shù)越小；投影面積是指物體的迎風(fēng)面大小，取決于風(fēng)向和物體的尺寸；動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)的大小取決于風(fēng)速和空氣密度。當(dāng)基站的選址確定之后，動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)的大小很難人為改變，而追求阻力系數(shù)極小的基站外形設(shè)計(jì)超出了電磁學(xué)領(lǐng)域的研究范圍。因此，通過(guò)減小投影面積來(lái)減小超大規(guī)模基站天線陣列的風(fēng)阻是更直接有效的方法。圖1(b)中是本文所提出的新型低風(fēng)阻基站模型，基于天線小型化設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)的金屬地結(jié)構(gòu)，對(duì)陣元及其射頻模塊單獨(dú)封裝，以此來(lái)盡可能減小新型AAU的投影面積，從而減小基站的風(fēng)阻。

圖1. 采用mMIMO技術(shù)的基站：(a)傳統(tǒng)的基站模型；(b)新型低風(fēng)阻基站模型

二、天線設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)新型低風(fēng)阻AAU的設(shè)計(jì)，本文提出了一種新型的±45°雙極化交叉偶極子天線結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該天線通過(guò)加載缺陷地結(jié)構(gòu)(DefectedGround Structure, DGS)改善小型化領(lǐng)結(jié)型交叉偶極子的交叉極化比、增益等性能。DGS延長(zhǎng)了表面電流的電路徑，并且減小了兩個(gè)輸入端口之間的電場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)該DGS層與金屬網(wǎng)反射器結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的金屬地，天線的整體投影面積被減小。所設(shè)計(jì)的天線單元實(shí)物如圖3所示，該天線通過(guò)兩根同軸饋線分別進(jìn)行激勵(lì)，所得到的S參數(shù)和增益的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示，輻射方向圖如圖5所示。

圖2. 具有小投影面積的±45°雙極化天線：(a)三維結(jié)構(gòu)圖；(b)側(cè)視圖

圖3. 具有較小投影面積的雙極化天線實(shí)物圖：(a)俯視圖；(b)三維結(jié)構(gòu)圖

從上述結(jié)果圖像中可以看出，所提出的天線在680-970MHz頻段內(nèi)具有良好的輻射性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較小的投影面積。基于此結(jié)構(gòu)可組成如圖1(b)所示的低風(fēng)阻大規(guī)模基站天線陣列。

圖5. 雙極化天線的歸一化輻射方向圖，680MHz處：(a)水平面；(b)垂直面；820MHz處：(c)水平面；(d)垂直面；970MHz處：(e)水平面；(f)垂直面

三、多物理場(chǎng)分析

利用具有較小投影面積的新型雙極化天線單元，可組成如圖1(b)所示的低風(fēng)阻8×8陣列。對(duì)該陣列進(jìn)行多物理場(chǎng)分析，可得到陣列的電磁性能和流體力學(xué)性能。圖6是由所設(shè)計(jì)的天線單元所組成的8×8低風(fēng)阻陣列的仿真結(jié)果圖，從圖中可以看出該陣列的S參數(shù)、增益、交叉極化比、前后比等輻射性能良好，且可作為多波束陣列進(jìn)行應(yīng)用。 對(duì)該陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體力學(xué)仿真時(shí)增加了單獨(dú)的天線罩結(jié)構(gòu)，風(fēng)阻分析通過(guò)流體力學(xué)仿真軟件Fluent進(jìn)行。圖7展示了圖1中兩個(gè)不同AAU在同等環(huán)境條件設(shè)置下不同的壓強(qiáng)云圖，并且可得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)阻大小，相比于風(fēng)阻大小為1132.79N的傳統(tǒng)64陣元AAU，本文所研究的新型低風(fēng)阻64陣元AAU的風(fēng)阻大小為585.28N，風(fēng)阻減小了48%，后續(xù)可通過(guò)天線罩的進(jìn)一步流線型設(shè)計(jì)繼續(xù)減小風(fēng)阻。

圖6. 新型低風(fēng)阻8×8陣列仿真結(jié)果：(a)S參數(shù)與增益；(b)680MHz處輻射方向圖；(c)820MHz處輻射方向圖；(d)970MHz處輻射方向圖；(e)水平面波束掃描輻射方向圖；(f)垂直面波束掃描輻射方向圖

圖7. 風(fēng)阻仿真壓強(qiáng)云圖：(a)具有完整金屬地結(jié)構(gòu)與一個(gè)天線罩的傳統(tǒng)64天線單元AAU；(b)具有金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)與多個(gè)分離天線罩的低風(fēng)阻64天線單元AAU

審核編輯 ：李倩