小型化双频辐射单元技术

刘正贵，孙彦明，范雄辉

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 430205）

0 引言

在4G、3G甚至2G还没完全下线的情况下，5G商用的一个重要挑战是开发多频段基站天线，包括与现有4G、3G以及2G基站天线的融合[1]，也包括对多个运营商5G工作频段的兼容。这种情况下，多频化或宽频化就成了大家研究的主要方向。

5G的另外一个挑战就是小型化。随着电子器件和电路系统向着小型化、集成化、多功能的方向发展，留给天线的空间越来越小，这就要求在设计天线时要尽可能降低天线的剖面高度与尺寸，在保证优良性能的前提下尽可能减小天线尺寸是目前研究的重点[2]。对制造商而言，减小尺寸和重量，也可以降低包装成本、运输成本；对运营商而言，可以降低对基站铁塔的强度要求，进而使建设支出减少。

辐射单元作为阵列天线的核心，主要用于无线电波的发射和接收。所谓基站天线的宽频化和小型化，一个重要的前提就是辐射单元的宽频化和小型化。针对5G阵列天线，传统的4G铝合金压铸形式辐射单元由于重量大，已经不适用于重量轻的集成度高的产品了，而相应的PCB形式辐射单元和耐高温的塑料形式辐射单元被广泛应用。

目前国内外厂家从成本、工艺、指标等方面着手，陆续开发出了2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz小型化单频辐射单元及大规模阵列天线，而多频小型化辐射单元还在研究中。本文根据市场产品需求，设计了一款2.6 GHz/3.5 GHz宽频小型化辐射单元，并应用于对应的大规模阵列天线中，在满足性能指标要求的情况下，尽量减小成本及重量。

1 宽频化可行性分析

我国在Sub-6GHz频段分别为中国移动分配了2 515—2 675 MHz和4 800—4 900 MHz频段的5G频率资源；为中国联通分配3 500—3 600 MHz频段的5G频率资源；为中国电信分配了3 400—3 500 MHz频段的5G频率资源，为中国广电分配了4 900—5 000 MHz频段的5G频率资源。能同时兼容多个工作频段的5G阵列天线，最大程度地利用天面资源和降低网络建设成本，是5G通信发展的必然趋势。无论是PCB辐射单元，还是采用LDS（Laser Direct Structuring，激光镭雕成型）技术实现模塑一体化成型的塑料辐射单元，基本形式和传统的4G压铸辐射单元一致，仅载体不同而已。三种辐射单元载体形式如图1所示。

由图1可看出，辐射单元主要由辐射体和馈电巴伦两部分组成，其原理是电流通过馈电巴伦对辐射体激励，形成对空间辐射的电磁场。激励方式可分为耦合馈电方式和直接馈电方式，而通常的辐射体为patch或者dipole结构。

如图1（a），传统的压铸辐射单元工作频段可实现1 710—2 690 MHz，甚至1 495—2 690 MHz，相对带宽分别为44%和57%，而5G通信中兼顾中国移动和中国电信或中国联通的2.6 GHz（2 500—2 700 MHz）和3.5G Hz（3 400—3 600 MHz）的相对带宽为36%，即使在考虑海外运营商工作频段（3 300—3 800 MHz）的情况下，相对带宽也仅为41%。在工作原理一致的情况下，5G辐射单元PCB形式或者LDS形式实现宽频化或者双频是可行的。

实现宽频的方法很多，双层辐射面产生双谐振点的方法是较为常见的扩展带宽手段，同时馈电形式采用耦合馈电可进一步实现宽频。

2 小型化可行性分析

在基站天线领域，大规模天线阵列系统（Massive MIMO）被认为是未来5G最具潜力的传输技术，5G基站将传统的射频拉远单元（RRU）与天线系统集成为一体，挤压了天线系统的设计空间，对5G辐射单元提出了小型化的要求；同时，由于一个5G天线内部往往存在上百个辐射单元，这就要求辐射单元结构尽可能简单牢靠。如图2所示，阵列垂直方向每三个振子组成一个通道，共四个通道。

图1 不同载体的辐射单元示意图

图2 3×4 MIMO阵列布局

以中国移动2.6 GHz 64通道192单元大规模阵列天线为例，垂直方向三个辐射单元级联为1个通道，通道内辐射单元间距记为dx；水平方向通道间辐射单元间距记为dy。单元间距要求dx=56 mm，dy=68 mm。

电磁波传播的波长如式(1)所示：

c：波速（光速，真空中约等于3×10^8 m/s)

f：频率

根据式(1)，2.6 GHz中心频率对应的波长为115 mm，对应的dx=56 mm=0.48λ，dy=68 mm=0.59λ，考虑到尺寸远小于λ，通道内辐射单元之间的耦合和通道间辐射单元的耦合很大，因此在边界不能改变的情况下，减小辐射单元尺寸是一种重要的去耦手段。

辐射单元的长度取决于单元的电长度，是由辐射单元的中心频点决定，要实现辐射单元的小型化需要减小辐射面的尺寸和馈电巴伦的高度，同时不造成关键指标恶化，不同边界条件和辐射单元尺寸如图3所示。

图3 不同阵列间距对应的辐射单元

根据边界要求，辐射单元对应的电磁仿真结果如表1所示。

如图3所示，一般辐射单元设计采用四分之一波长的巴伦高度，通过优化对应的辐射边界，可以降低辐射单元高度，可从λ/4下降到λ/8。即采用振子片连接技术及馈电自消技术，克服以前必须要求馈电座高度为四分之一波长的限制，从而实现八分之一甚至更矮的馈电高度情况下对称振子的辐射特性[3]。

辐射单元的小型化，关键在于辐射面小型化和巴伦高度，其对电路参数和辐射参数影响较大，以2.6 GHz辐射单元为例，满足如下两个条件的辐射方向图结果将如表1所示：

（1）阵列间距dx=56 mm，dy=68 mm

（2）辐射单元初始尺寸39×39×14 mm

下面将针对不同辐射面大小和不同巴伦高度对辐射单元指标的影响进行研究。

2.1 辐射面大小对指标的影响

辐射面大小由39×39 mm改成44×44 mm，对应电磁仿真结果如表2所示。

由表2可知，辐射面大小对辐射方向图影响较小，但会造成谐振点偏移，辐射面尺寸越大，对应的波长增大，谐振点偏向低频段。

2.2 巴伦高度对指标的影响

巴伦高度由14 mm改成28 mm，对应电磁仿真结果如表3所示。

由表3可知，巴伦高度对波宽和增益影响较大，巴伦越高，对应的垂直波宽和水平波宽越宽，增益越低。

表1 不同阵列间距下的2.6 GHz辐射单元

表2 辐射面大小对指标的影响

表3 巴伦高度对指标的影响

综上所述，目前5G大规模阵列天线的垂直面辐射单元间距和水平面辐射单元列间距变小的情况下，辐射单元必须以低剖面的形式实现。

相对于传统的4G压铸辐射单元，PCB辐射面载体可采用成本较低的FR-4，巴伦可采用特性稳定的PTFE材料，相同尺寸大小辐射单元单价可减小50%以上。目前行业内塑料振子以单体形式应用不多，单价基本与压铸振子持平，主要材质是LCP，而应用较多的是基于PPS材料的多合一结构辐射单元，将辐射单元和功分网络集成在一起，相对于常规的辐射单元和功分网络板成本更低。

3 宽频及小型化辐射单元设计

为最大程度利用天面资源和降低网络建设成本，目前主设备上针对大规模天线要求设计包含2.6 GHz/3.5 GHz（2 496—2 690 MHz/3 400—3 600 MHz）工作频段的32TR/32TR双频5G大规模天线，能同时满足中国移动和中国联通，或中国移动和中国电信的共站建设需要。该天线技术方案需设计2 496—2 690 MHz/3 400—3 600 MHz双频辐射单元。

阵列的总体架构的结构侧视图如图4 所示，天线罩内表面到移相器网络、传动结构最下端尺寸不大于4 5 mm，天线罩内表面到振子面距离应大于5 mm，天线反射板下表面到移相器网络、传动结构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）。根据以上要求分解得到，对应的2.6 GHz/3.5 Hz双频辐射单元，最大高度＜22 mm。其中反射板2 mm，馈电网络板1 mm，功分合路网络板1 mm，辐射面尺寸≤40 mm×40 mm。

图4 整体布局图

传统的4G阵列天线2.6 GHz/3.5 GHz双频辐射单元尺寸为37×37×24 mm，需要间距dx=70 mm，dy=90 mm的边界条件才能满足指标要求，而5G大规模双频阵列天线通道间距要求dx=52，dy=62.5 mm，因此在这个边界情况下，继续采用常规辐射单元尺寸会造成辐射单元之间耦合大，隔离度难满足指标，同时方向图变形严重。根据2.2节巴伦高度对指标的影响分析可知，在dx=52，dy=62.5 mm的边界条件下，需要减小巴伦高度来实现辐射单元在dx=70 mm，dy=90 mm边界条件下的同等指标，通过HFSS仿真可确定辐射单元尺寸37×37×15 mm指标最优。本设计辐射面采用FR-4，巴伦采用的是介电常数为4.38的Kappa 438作为介质基板，厚度均为40 mil，PCB形式辐射单元相对于模塑一体的辐射单元，在成本、设计灵活度和开发周期上有一定的优势，辐射单元利用双层辐射面相互耦合产生两个谐振点来实现双频特性，同时采用耦合馈电方式进一步扩展带宽。仿真模型如图5所示。

图5 电磁仿真模型

图5 中，巴伦1 和巴伦2 由两种双面P C B 载体组成，分别沿+45°和-45°方向垂直设置，巴伦PCB载体两面分别印刷了耦合馈电线和接地面，巴伦PCB载体上端穿过辐射体，且实现接地面与辐射体上的辐射面电气连接；下端穿过功分板，实现耦合馈电线与功分板电路电气连接，接地面与功分板地相连接，并固定在反射板上，这是半波对称振子的基本结构，当激励增加在功分板电路上时，电流沿耦合馈电线对第一层辐射面进行耦合馈电，第一层辐射面末端通过耦合对第二层辐射面进行馈电，产生两个谐振点，实现双频特性。

电磁仿真2.6 GHz/3.5 GHz电压驻波比如图6所示。E面辐射方向图仿真如图7所示。H面辐射方向图如图8所示。

由图所示，单个辐射单元在2 496—2 690 MHz/3 400—3 600 MHz频段驻波比＜1.6，2.6G增益＞8.2 dBi，3.5G增益＞8.28 dBi，增益指标与表1、表2、表3所示的一般辐射单元性能指标一致，因此该宽频及小型化辐射单元设计是可实现的，同时能满足阵列天线分解后模块的基本要求。

4 结束语

本文通过与传统的4G辐射单元的对比，分析了5G辐射单元实现宽频化和小型化的可能性，并在此基础上，采用PCB载体方案设计了一种2.6 GHz和3.5 GHz双频小型化辐射单元，同时提供了模块仿真的驻波比和增益两个关键指标。仿真结果显示，该设计满足了5G大规模阵列天线的基本要求。

图6 电压驻波比

图7 2.6 GHz/3.5 GHz E面辐射方向图

图8 2.6 GHz/3.5 GHz H面辐射方向图