基于吸波材料的5G 射頻天線干擾抑制應(yīng)用研究?

馬 虹

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

相對(duì)于4G，5G 擁有更高的頻段、超大帶寬、更多的收發(fā)天線、更加復(fù)雜的波束賦形工作模式等[1]。目前，5G 基站端主要運(yùn)用大規(guī)模天線陣列(MU-MIMO)，再用大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(Large Scale Antenna System，或稱為Massive MIMO)進(jìn)行無線覆蓋。大規(guī)模多天線技術(shù)的應(yīng)用顯示出更多優(yōu)越特性，但同時(shí)會(huì)帶來各類干擾和噪聲，因此，必須綜合考慮干擾管理與抑制策略。由于吸波材料可以吸收投射到其表面的電磁波能量并轉(zhuǎn)化為熱能和其他形式的能量并消耗掉。因而，設(shè)計(jì)5G 天線時(shí)可以在結(jié)構(gòu)上運(yùn)用吸波材料吸收噪聲電磁波，以達(dá)到減小干擾的目的。

1 5G 大規(guī)模天線應(yīng)用場(chǎng)景特征分析

5G 基站端大規(guī)模天線陣列主要應(yīng)用在宏覆蓋、高層覆蓋、微覆蓋、室內(nèi)分布系統(tǒng)和無線回傳等場(chǎng)景。室外宏覆蓋用在人口密集城區(qū)時(shí)，需要大幅度提高系統(tǒng)容量，可通過天線波束賦形提供更多空分流數(shù)來實(shí)現(xiàn)；微覆蓋主要用于用戶密集區(qū)域，如大型商業(yè)綜合體、體育中心、交通樞紐等，微覆蓋場(chǎng)景下往往區(qū)域面積較小，但用戶密集度卻非常高，且有“潮吸”現(xiàn)象，可以通過天線定向波束靈活調(diào)整；高層覆蓋是通過較低位置的基站為附近的高層樓宇提供覆蓋，如大城市的超高層商務(wù)樓和高層住宅區(qū)等，此場(chǎng)景下用戶位置呈現(xiàn)出“2D/3D”形態(tài)分布，基站需要通過波形賦束后，具備垂直方向覆蓋及水平方向覆蓋能力。MU-MIMO 主要應(yīng)用場(chǎng)景的特征描述和潛在問題如表1 所示。

表1 MU-MIMO 主要應(yīng)用場(chǎng)景特征描述和潛在問題

5G 大規(guī)模天線系統(tǒng)部署應(yīng)用場(chǎng)景的主要目標(biāo)是提高頻譜效率和傳輸可靠性。首先，MU-MIMO在實(shí)現(xiàn)有效覆蓋的基礎(chǔ)上，能夠顯著增強(qiáng)空間維度資源，使得多個(gè)用戶共享同一時(shí)頻資源；其次，MUMIMO 能夠通過多個(gè)天線來削弱多徑衰落對(duì)系統(tǒng)的影響；第三，隨著參與信號(hào)傳輸?shù)奶炀€數(shù)目的增多，MU-MIMO 能夠有效簡(jiǎn)化多址連接的過程。但是，Massive MIMO 技術(shù)在原理上還有信道非互易性、導(dǎo)頻污染、非理想無線傳播條件及信道響應(yīng)正交等問題需要進(jìn)一步研究解決，[2－3]且MU-MIMO 在波束賦形、窄細(xì)化、空間分辨率等方面要求更高，特別是在“微微蜂窩”結(jié)構(gòu)微覆蓋的情況下，天線采用多天線陣列組合時(shí)，在特定的覆蓋區(qū)域需要形成窄主波束，對(duì)于微波波段可能會(huì)產(chǎn)生大角域的旁瓣，而旁瓣會(huì)對(duì)主波束和相鄰基站形成較大干擾。本文就是充分考慮MU-MIMO 存在賦形旁瓣和殘留后瓣的情況，研究設(shè)計(jì)與應(yīng)用柔性聚合物基材料吸波體，吸收天線主波束帶外干擾電磁波，以達(dá)到進(jìn)一步抑制和削弱干擾的目的。

2 吸波材料的電物理特性

相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率和相對(duì)復(fù)介電常數(shù)都是表征吸波材料電磁特性的基本參數(shù)，是評(píng)價(jià)吸波材料優(yōu)劣的主要依據(jù)，對(duì)其物理意義的理解有助于掌握吸波材料的吸波機(jī)理，加強(qiáng)吸波材料的研究與改進(jìn)。

(1)相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率

在靜磁場(chǎng)中大多數(shù)各向同性的磁介質(zhì)內(nèi)部任一點(diǎn)的磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比，比值χm為定值，稱為磁化率，即M＝χmH。磁介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可以表示為B＝μ0(M＋H)＝μ0(1 ＋χm)H＝μ0μrH，式中μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

當(dāng)外加交變磁場(chǎng)時(shí)，其振幅為Hm，角頻率為ω，即H＝Hmcos(ωt)，相應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B也呈周期性變化，但由于存在磁滯效應(yīng)和自然共振等，B在時(shí)間上將落后于H一個(gè)相位差δ，即B＝Bmcos(ωt－δ)，式中Bm為振幅。為表示交變場(chǎng)中B和H的關(guān)系，引入復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率μ，它反映B和H之間振幅和相位的關(guān)系，即μ＝μ′－jμ″，式中分析可知，均勻交變場(chǎng)中鐵磁體在單位時(shí)間單位體積內(nèi)的平均能量損耗為

磁介質(zhì)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的密度為

由式(1)和式(2)可以看出，交變磁場(chǎng)中磁介質(zhì)儲(chǔ)存的能量密度與復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部成正比，而能量的損耗則由相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率的虛部決定。

(2)相對(duì)復(fù)介電常數(shù)

在靜電場(chǎng)中，介質(zhì)在真空中的介電常數(shù)為ε0，相對(duì)介電常數(shù)為εr，則電位移D和外場(chǎng)強(qiáng)E的關(guān)系為D＝ε0εrE。在交變電場(chǎng)中，當(dāng)外場(chǎng)頻率增加時(shí)，介質(zhì)的極化逐漸落后于外電場(chǎng)的變化。引入相對(duì)復(fù)介電常數(shù)ε，即ε＝ε′－jε″。式中實(shí)部表示電容儲(chǔ)能特性。虛部相當(dāng)于在電容上并聯(lián)了一個(gè)等效電阻，標(biāo)志電介質(zhì)損耗能量的能力。

(3)磁損耗角正切和電損耗角正切

磁損耗角正切用磁介質(zhì)磁導(dǎo)率的虛部與實(shí)部比值來描述，即

同樣，電損耗角正切定義為:

式(3)、式(4)表示若吸波材料的相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率的虛部μ″和相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的虛部ε″越大，其吸波能力則越強(qiáng)。

3 國內(nèi)外吸波材料研究進(jìn)展

為了對(duì)抗新型雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，很多空間飛行器的“隱身”要求越來越高，[4]特別是要求電磁波空間分布的電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，波長更長，在電磁兼容與屏蔽工程方面也越來越復(fù)雜。為了減少電磁波的反射和干擾，通常會(huì)采用吸波材料。[5]因此，國內(nèi)外對(duì)吸波材料的研究與應(yīng)用方興未艾。

按照吸波材料的工作原理可分為相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率與相對(duì)復(fù)介電常數(shù)相等的吸波材料、四分之一波長“諧振”吸波材料、阻抗?jié)u變“寬頻”吸波材料、衰減表面電流的薄層吸波材料等基本類型。目前廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步研究改進(jìn)的吸波材料主要有以下幾種。

(1)鐵氧體吸波材料

鐵氧體吸波材料包括磁性氧化物和磁性陶瓷兩類，其相對(duì)磁導(dǎo)率及相對(duì)介電常數(shù)都呈現(xiàn)復(fù)數(shù)形式，因此，鐵氧體吸波體包含介電損耗和磁損耗，有較好的天然吸波特性。Sugimoto 等人研究發(fā)現(xiàn)，Ba-M 型鐵氧體中摻雜物Ti 和Mn 的含量，可以改變鐵氧體材料的磁晶各向異性場(chǎng)、飽和磁化強(qiáng)度及居里溫度，進(jìn)而改變相應(yīng)的自然共振頻率，最終改變?chǔ)獭濉＿@可使鐵氧體鐵磁共振頻率在3.85 GHz～60.18 GHz 之間發(fā)生變化，從而達(dá)到阻抗匹配，其吸波劑厚度小于4 mm 時(shí)，反射衰減可超過－20 dB。

(2)寬頻帶吸波材料

寬頻帶吸波材料為一種磁性吸收劑，如美國使用的席夫基鹽吸收劑，在受到雷達(dá)波照射時(shí)，分子結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)重新暫時(shí)排列的現(xiàn)象，進(jìn)而吸收電磁波。

(3)納米吸波材料

當(dāng)電磁波輻射到納米材料表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、隧道效應(yīng)、表面界面效應(yīng)等現(xiàn)象，呈現(xiàn)界面極化、多重散射、電子能級(jí)分裂等電、磁、光、熱等奇異特性，通過加劇原子、電子運(yùn)動(dòng)，促使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，形成良好的吸波效果。納米吸波材料具有吸波頻帶寬、兼容性好、質(zhì)量輕、厚度薄等特點(diǎn)。目前國內(nèi)外主要有納米金屬與合金吸波材料、納米復(fù)合膜吸波材料、納米陶瓷吸波材料、納米氧化物吸波材料等。美國已研制出一種“超黑粉”的納米吸波材料，其微波吸收率高達(dá)99%。國內(nèi)彭偉才等人通過研究不同F(xiàn)e 納米線含量的隨機(jī)分布及Fe 納米線/絕緣體復(fù)合吸波材料在不同厚度下的反射率，得出體積分?jǐn)?shù)為25%的復(fù)合吸波材料，其在9.7 GHz 時(shí)的反射衰減達(dá)－45 dB。鄧聯(lián)文采用霧化工藝和高能球磨技術(shù)制成納米晶Fe85Si1Al6Cr8扁平狀顆粒合金粉，其在4 GHz 附近的低頻微波波段具有很好的吸波性能。

(4)高分子吸波材料

高分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物與無機(jī)磁損耗物質(zhì)或超微粒子復(fù)合，可形成低密度輕型寬帶微波吸收材料。此類吸波材料的吸波機(jī)理是利用某種具有共軛π電子的高分子聚合物的線形或平面形構(gòu)型與高分子電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物作用，設(shè)計(jì)其導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與電磁損耗。日本筑波大學(xué)百川英樹[8]早期進(jìn)行了大量研究，導(dǎo)電高聚合物的吸波性能與其電磁參數(shù)，如介電常數(shù)、電導(dǎo)率等有關(guān)。電磁參量主要依賴于高聚物的主鏈結(jié)構(gòu)、室溫導(dǎo)電率、摻雜劑性質(zhì)、微觀形貌、涂層厚度及結(jié)構(gòu)等因素。這些高分子聚合物主要有聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等，其具有研制周期短、成本低、投資少、效益好等特點(diǎn)，目前在軍事上應(yīng)用廣泛。

(5)結(jié)構(gòu)吸波材料

結(jié)構(gòu)吸波材料一般是將樹脂基體與吸波劑混合而成，然后通過碳纖維、玻璃纖維、芳綸等增強(qiáng)，制成層板型、蜂窩型、復(fù)合型三種應(yīng)用形態(tài)。結(jié)構(gòu)型吸波材料不僅具有良好的透波吸波性能，而且具有強(qiáng)度好、韌性強(qiáng)、質(zhì)量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在特殊場(chǎng)合。

(6)手性吸波材料

手性吸波材料是指與其鏡像不存在幾何對(duì)稱性，且不能通過任何方法使其與鏡像相重合的材料。手性吸波材料一般具有后向波傳播、負(fù)的折射率及反向多普勒效應(yīng)[6]等特性，使輻射到手性吸波材料上的透射和反射波大為減少，而顯現(xiàn)出“吸波特性”。而新型手性吸波材料的使用形成了一種超透鏡的能力，能夠提供衍射極限之外的空間分辨率。Tao H 等人[1，7]利用改進(jìn)的單元結(jié)構(gòu)制備出了作用于太赫茲波段的吸波材料。Veselago[9]將坡印廷矢量的方向作電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向的函數(shù)進(jìn)行手性材料研究，定義了所謂“左手材料”。

在經(jīng)典電磁場(chǎng)理論中，正弦時(shí)變電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程(Helmholtz 方程)為:

式中:k×E＝ωμH，k×H＝－ωμE，k·E＝0，k·H＝0。

介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ是描述介質(zhì)電磁性質(zhì)的主要參數(shù)。E、H、k之間滿足右手螺旋關(guān)系，通常的介質(zhì)被稱為“右手材料”。

天然的介質(zhì)μ和ε的大小是相對(duì)電磁波頻率而言的，通常為使電磁波能夠正常傳播，采用無損耗、各向同性、空間均勻的介質(zhì)，方程(5)有波動(dòng)解，進(jìn)一步由麥克斯韋方程組推出波數(shù):

如果以乙炔、鎳板和三氯化磷為原料通過一定工藝制作成螺旋炭纖維手性吸波材料，使得“手性材料”的μ和ε兩者一個(gè)為正數(shù)，而另一個(gè)為負(fù)數(shù)，即k2<0，k無實(shí)數(shù)解，則方程(5)無波動(dòng)解，電磁波不能在其中傳播，這就形成了吸波效應(yīng)。

4 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

本研究中的吸波層是在研究手性材料工作基礎(chǔ)上建立的，采用介質(zhì)基為甲基硅橡膠顆粒。甲基硅橡膠無毒無害、彈性伸縮大、耐熱耐寒，在300 ℃～－90 ℃時(shí)，可保持原有物理特性不變，具有良好的電絕緣和耐氧化、耐光、抗老化特性，非常適合5G 天線在惡劣自然環(huán)境中使用。吸收層為聚合物基復(fù)合層，其結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系設(shè)置如圖1 所示。復(fù)合吸波材料的吸波能力是每一個(gè)吸波劑顆粒對(duì)電磁衰減的總和。

圖1 聚合物基復(fù)合吸波材料結(jié)構(gòu)及電磁波入射示意圖

(1)研究方法

本研究通過調(diào)整甲基硅橡膠顆粒的濃度，研究復(fù)合基對(duì)微波的吸波效能；另一方，通過調(diào)整甲基硅橡膠基復(fù)合吸波材料的介質(zhì)基板厚度、形狀、尺寸及天線金屬面板介電常數(shù)，尋找最大吸波能量頻率點(diǎn)。基于聚合物基吸波材料的電磁諧振特性，首先設(shè)計(jì)微帶式單元吸波體，然后在鐵氧體基板形成周期性排列。通過基于有限元法的微波電磁仿真軟件(CST)進(jìn)行全波仿真，對(duì)TE 和TM 極化波在不同入射角下的吸波率曲線進(jìn)行分析。

(2)設(shè)計(jì)原理

聚合物基吸波材料設(shè)計(jì)運(yùn)用等效媒質(zhì)理論，若用A表示吸波器的吸收率，則:

式中:R(ω)＝｜S11｜2，T(ω)＝｜S21｜2分別表示反射率和透射率。由于吸波器的背板是金屬結(jié)構(gòu)，厚度較厚，超過微波趨膚效應(yīng)深度，可用鐵氧體作“襯板”，故透射率表示為S21→0，因此，式(7)簡(jiǎn)化成:

通過合理選擇甲基硅橡膠顆粒的形狀、濃度，設(shè)計(jì)介質(zhì)基板厚度、形狀、尺寸及天線金屬面板介電常數(shù)，理論上可以得到任意數(shù)值的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ，使反射率和透射率降到最低。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)路線與方案

(1)技術(shù)路線

對(duì)某一吸波頻率，由于吸波體介質(zhì)層的多普勒效應(yīng)，其表面與界面效應(yīng)等的能量損耗使電磁特性發(fā)生了“吸波現(xiàn)象”。5G 陣列天線可采用底層連續(xù)的鐵氧體金屬板，可保證透射為0。設(shè)η0為自由空間波阻抗，吸波體的等效阻抗為ZMA(ω)，則有:

從式(9)中可以看出，當(dāng)ZMA＝η0時(shí)，R＝0，A＝1，即實(shí)現(xiàn)了吸波體對(duì)電磁波的“完美”吸收。此外，超材料結(jié)構(gòu)具有亞波長特性，因而可以用等效媒質(zhì)理論對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)吸波體的等效相對(duì)介電常數(shù)ε(ω)和等效相對(duì)磁導(dǎo)率μ(ω)滿足ε(ω)＝μ(ω)時(shí)，ZMA＝η0。而等效媒質(zhì)參數(shù)由吸波體的物理參數(shù)唯一決定，因此通過單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的超強(qiáng)吸收。[8－9]

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)美國Landy N I 教授[10]對(duì)微波段超材料吸波器的設(shè)計(jì)思路，本研究運(yùn)用甲基硅橡膠作為聚合物基復(fù)合吸波材料，單元設(shè)計(jì)為圓環(huán)和方形外環(huán)形狀，根據(jù)集成天線的實(shí)際面積，需要重復(fù)排列，從而形成雙頻諧振吸波體，其單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中R1為內(nèi)圓環(huán)半徑，C為正方形外環(huán)邊長。為保證能量消耗，應(yīng)使金屬面板有效接地。吸波體單元結(jié)構(gòu)為縱向加橫向周期性重復(fù)排列，形成整體吸波體結(jié)構(gòu)。

圖2 雙頻吸波體單元結(jié)構(gòu)

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置與仿真分析

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 所示，其中1 是AV3618矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，2 是同軸電纜，3 是矩形波導(dǎo)，4 是測(cè)試樣品。矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm。運(yùn)用矩形波導(dǎo)法，通過AV3618 一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)量設(shè)計(jì)樣品在5G 微波段的電磁響應(yīng)行為(S參數(shù))。待測(cè)樣品放置在波導(dǎo)中央，此時(shí)電磁波矢量k平行于待測(cè)樣品入射，即沿x軸方向入射，電場(chǎng)E平行于y軸方向，磁場(chǎng)H平行于z軸方向。

圖3 波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

若電磁波入射方向與吸波體表面垂直，極化方向默認(rèn)為Y 極化，低頻段微波輸入頻率為1 GHz～6 GHz，測(cè)得歸一化反射系數(shù)對(duì)應(yīng)值如圖4 所示。由圖4 可知，整個(gè)頻段范圍內(nèi)都有一定反射衰減，其中，反射較小的有兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)，如當(dāng)圓環(huán)半徑R2為5.5 mm，正方形外環(huán)邊長C為20 mm 時(shí)，諧振點(diǎn)則出現(xiàn)在f1＝3.49 GHz、f2＝4.85 GHz，在頻點(diǎn)2.5 GHz 處反射衰減顯著增大。改變R2和C的尺寸可使諧振頻點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，這樣可以尋找最大吸波頻點(diǎn)。

圖4 電磁波歸一化反射特性曲線

(2)仿真結(jié)果分析

采用基于有限元法的高頻電磁仿真軟件CST 進(jìn)行全波仿真，能有效仿真TE 和TM 極化波在以不同入射角進(jìn)入二維周期性吸波體結(jié)構(gòu)時(shí)的情況，[10－12]求解傳輸系數(shù)和反射系數(shù)，并以S參數(shù)形式顯示。在打開的CST 仿真軟件界面中選擇新建工程，點(diǎn)擊Home 中的Units，設(shè)置單位、頻率和時(shí)間，頻率范圍設(shè)定為1 GHz～6 GHz，在Modeling 中畫出圖2 所示吸波體單元結(jié)構(gòu)尺寸圖形，然后再點(diǎn)擊Simulation 按鈕，對(duì)頻率、背景、邊界條件等進(jìn)行設(shè)定。在Home 解析器中，選擇頻率解析，以S參數(shù)求出吸波器的反射率R、透射率T和吸收率A之間的關(guān)系為:

圖5 所示為實(shí)際仿真測(cè)得的電磁波垂直入射吸波單元時(shí)的反射率、透射率和吸收率曲線。

圖5 電磁波垂直入射時(shí)反射率、透射率和吸收率曲線

從圖5 可以看出，由于介質(zhì)底層采用了接地金屬板和鐵氧體“襯板”，進(jìn)一步加大了電波損耗，故透射率在全頻帶幾乎為0，當(dāng)中心頻率為3.49 GHz和4.85 GHz 時(shí)，入射波吸收率達(dá)到90%以上，相對(duì)帶寬約為30%，符合目前運(yùn)營商在5G 中、高頻段的中心頻率，對(duì)5G 大規(guī)模陣列天線的旁瓣干擾電磁波吸收效果顯著。

7 結(jié)束語

5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正在如火如荼進(jìn)行，其基站端超大規(guī)模天線陣列(MU-MIMO)的應(yīng)用和微蜂窩覆蓋的要求，使真正實(shí)現(xiàn)良好無縫覆蓋的目標(biāo)還有諸多工作要做。本研究中采用聚合物甲基硅橡膠顆粒柔性超材料吸波體來吸收天線旁瓣及副瓣電磁能量，以減少干擾，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。這是因?yàn)椋S著超大規(guī)模天線陣列的應(yīng)用和天線靈敏度的提高，天線帶外輻射干擾顯著增強(qiáng)。通過對(duì)介質(zhì)特性和設(shè)計(jì)尺寸之間關(guān)聯(lián)性的研究，進(jìn)一步探索了超表面的性能與表面單元之間的聯(lián)系，提高了雙頻帶吸收體的性能，當(dāng)使用本吸波體貼于陣列天線背面時(shí)，可有效降低射頻帶外輻射干擾，具有一定的實(shí)用價(jià)值。未來，隨著5G 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)覆蓋，需進(jìn)一步實(shí)施“空分復(fù)用”，增強(qiáng)天線波束賦形性能，可以采用多層吸波材料的設(shè)計(jì)方案，即設(shè)計(jì)透波層、過渡吸收層、強(qiáng)磁損耗層，通過不同吸波層差異特性設(shè)計(jì)，達(dá)到改善吸波效果和展寬頻帶的目的。