5G一體化天線解決方案及AFU集成技術(shù)

劉培濤，陳禮濤，黃立文，蘇國生，卜斌龍

（京信通信技術(shù)有限公司，廣州510730）

1 引言

隨著5G時(shí)代的到來，基站天線作為支撐5G規(guī)?；逃玫年P(guān)鍵技術(shù)，面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，5G基站天線將會同時(shí)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(tài)。其中，基于大規(guī)模多入多出（Massive MIMO）技術(shù)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M(jìn)assive MIMO系統(tǒng)的頻譜效率，從而提升網(wǎng)絡(luò)容量，將會是5G時(shí)代天線的典型產(chǎn)品類型。射頻通道數(shù)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(shè)計(jì)要求，也使得AAU[3-4]的天線模塊和射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）均面臨結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、制作工藝更精細(xì)的問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)高性能、一體化、高集成化的設(shè)計(jì)既是5G天線的重要發(fā)展方向[5]，也是當(dāng)下必須解決的技術(shù)難點(diǎn)。

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(shù)[6]，并在此技術(shù)基礎(chǔ)上延伸融合塑料金屬化技術(shù)[7-8]，旨在實(shí)現(xiàn)基站天線的小型化、輕量化及一體化，滿足5G技術(shù)需要。

2 5G一體化天線解決方案

2.1 帶獨(dú)立整體屏蔽腔體的AFU設(shè)計(jì)

圖1 給出了一種5G天線一體化設(shè)計(jì)的解決方案，具體如下。

圖1 帶獨(dú)立整體屏蔽腔體的AFU天線

一種帶獨(dú)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)線路層及鍍設(shè)于塑料基材一側(cè)并由饋電網(wǎng)絡(luò)線路層饋電的多個(gè)輻射單元；多個(gè)介質(zhì)濾波器集成在濾波器的PCB饋電板上構(gòu)成介質(zhì)濾波器模塊，每個(gè)介質(zhì)濾波器模塊的輸出端均與饋電網(wǎng)絡(luò)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(cè)并同時(shí)屏蔽介質(zhì)濾波器模塊的所有介質(zhì)濾波器。介質(zhì)濾波器尺寸小，重量輕，以京信通信3.5 GHz介質(zhì)濾波器為例，其尺寸為30 mm×17 mm×7 mm，重量為10 g，而常規(guī)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(gè)濾波器的重量一共可減少1920 g。

上述帶獨(dú)立整體屏蔽腔體的AFU天線通過將饋電網(wǎng)絡(luò)線路及輻射單元集成于塑料基材上，同時(shí)采用一體化屏蔽腔體對收容于內(nèi)部的介質(zhì)濾波器模塊提供屏蔽作用，方便地實(shí)現(xiàn)了天線與濾波器的一體化集成，減少了傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)和布局，降低了成本，同時(shí)使得系統(tǒng)整體尺寸減少10%，重量減輕33%。

為了進(jìn)一步改善濾波器與天線模塊集成的電氣性能，設(shè)計(jì)了一種帶獨(dú)立整體屏蔽腔體的AFU天線的一體化屏蔽腔體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。帶獨(dú)立整體屏蔽腔體的AFU天線還可以在一體化屏蔽腔體側(cè)邊的端面上設(shè)計(jì)導(dǎo)電膠帶，在屏蔽腔內(nèi)表面中部區(qū)域設(shè)計(jì)導(dǎo)電薄棉，通過導(dǎo)電泡棉和導(dǎo)電膠帶連通屏蔽腔與介質(zhì)濾波器的相應(yīng)表面，使介質(zhì)濾波器實(shí)現(xiàn)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(biāo)具有較好的效果。

圖2 帶獨(dú)立整體屏蔽腔體的AFU天線的一體化屏蔽腔體設(shè)計(jì)

天線與濾波器級聯(lián)的電路及信號流圖見圖3，天線與濾波器用傳輸線級聯(lián)后，可通過信號流圖計(jì)算出級聯(lián)后的反射系數(shù)。

圖3 天線與濾波器級聯(lián)的電路及信號流圖

由公式（1）可知，天線與濾波器互聯(lián)時(shí)，反射系數(shù)與濾波器的S參數(shù)、連接傳輸線、天線的反射系數(shù)有關(guān)，如果未做匹配直接相連，級聯(lián)后的阻抗可能會失配，整體電路性能會惡化。在傳統(tǒng)的AAS（Active Antenna System）中，濾波器通常在設(shè)備端，通過盲插接頭與天線相連，在實(shí)際使用中，天線與濾波器是隨機(jī)搭配使用的，不同的S參數(shù)級聯(lián)容易導(dǎo)致電路性能變差。而在AFU中，天線與濾波器直接級聯(lián)，比盲插接頭更加可靠，同時(shí)通過一體化設(shè)計(jì)，在研發(fā)階段優(yōu)化電路性能，在生產(chǎn)時(shí)也能通過濾波器及天線的測試，保證從部件到整機(jī)的性能。

2.2 集成式屏蔽腔體的AFU技術(shù)

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(shù)，該技術(shù)包括以下兩種具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

集成濾波器屏蔽腔體的AFU天線，包括一體化介質(zhì)基體、若干濾波器模塊及濾波器模塊的屏蔽蓋、至少一個(gè)輻射單元、天線饋電網(wǎng)絡(luò)電路及反射板。其中，一體化介質(zhì)基體通過注塑工藝成型，包括饋電網(wǎng)絡(luò)基板和濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)，所述濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)為一面開口的內(nèi)空結(jié)構(gòu)。具體而言，圖4為第一種集成式屏蔽腔體的AFU天線結(jié)構(gòu)，濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)的開口與輻射單元位于同一側(cè)，圖5為第二種集成式屏蔽腔體的AFU天線結(jié)構(gòu)，濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)的開口背向輻射單元的一側(cè)設(shè)置。濾波器模塊包括介質(zhì)濾波器及其PCB饋電板，介質(zhì)濾波器可焊接在PCB饋電板上，PCB饋電板對介質(zhì)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(nèi)空結(jié)構(gòu)里。輻射單元采用金屬片或者是附著于介質(zhì)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(zhì)基體上，饋電巴倫線路附著于介質(zhì)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(shí)現(xiàn)直接電連接。天線饋電網(wǎng)絡(luò)電路通過電鍍、化學(xué)鍍或者LDS（Laster Direct Structuring）等工藝形成于饋電網(wǎng)絡(luò)基板的表面，在饋電網(wǎng)絡(luò)基板的另一表面相對應(yīng)地形成有饋電網(wǎng)絡(luò)電路的金屬地層，該饋電網(wǎng)絡(luò)電路的金屬地層可與濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)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(nèi)/外表面附著金屬層，與屏蔽蓋共同構(gòu)成完整濾波器屏蔽結(jié)構(gòu)，濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)內(nèi)還形成由一體化介質(zhì)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(shè)的通孔結(jié)構(gòu)，通過燙熔工藝融化凸出濾波器的第一固定柱，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)電路連接。饋電網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(shè)置相應(yīng)的避讓窗口，避讓濾波器屏蔽基體結(jié)構(gòu)。

圖4 第一種集成式屏蔽腔體的AFU天線結(jié)構(gòu)

圖5 第二種集成式屏蔽腔體的AFU天線結(jié)構(gòu)

上文提供的AFU天線設(shè)計(jì)方案，通過將濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)、饋電網(wǎng)絡(luò)基板、饋電巴倫柱及濾波器饋電柱由同一介質(zhì)基體一體化注塑成型，饋電網(wǎng)絡(luò)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(zhì)基體上對應(yīng)一體化鍍設(shè)，同時(shí)附加屏蔽蓋實(shí)現(xiàn)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(zhì)基體一體集成的相應(yīng)固定柱實(shí)現(xiàn)部件之間的安裝固定，整體結(jié)構(gòu)簡潔，有利于降低RRU結(jié)構(gòu)和布局的設(shè)計(jì)難度。傳統(tǒng)的一體化屏蔽腔（見圖2）尺寸較大，通過導(dǎo)電泡棉和導(dǎo)電膠帶連通屏蔽腔與介質(zhì)濾波器的相應(yīng)表面，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生干擾；而集成式屏蔽腔體為每個(gè)濾波器設(shè)置了一個(gè)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(tǒng)整體的電氣性能。集成式屏蔽腔采用介質(zhì)基體一體化注塑成型，重量可比常規(guī)金屬腔體減少約20%，同時(shí)集成度更高，降低了總體生產(chǎn)制造成本。

3 塑料金屬化輻射單元技術(shù)

天線的輻射單元用于導(dǎo)向和放大電磁波，是基站天線的核心部件。5G網(wǎng)絡(luò)采用Massive MIMO天線技術(shù)，天線通道數(shù)的增加將導(dǎo)致輻射單元數(shù)量劇增，傳統(tǒng)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(fā)展需求。行業(yè)內(nèi)新提出的塑料金屬化輻射單元技術(shù)是指采用低損耗、耐高溫、介電常數(shù)穩(wěn)定的工程塑料作為輻射單元的介質(zhì)基體，再在介質(zhì)基體表面進(jìn)行電鍍/化鍍/LDS等工藝形成金屬層的技術(shù)，能在減輕天線重量、減小天線體積的同時(shí)保證輻射特性優(yōu)，兼具小型化、輕量化、一體化和低成本的綜合優(yōu)勢，是當(dāng)下通信行業(yè)各大廠商研究的熱點(diǎn)。

本文還提出了一種在上文介紹的AFU設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，將塑料金屬化輻射單元技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可使5G天線產(chǎn)品具備更高程度的小型化和集成化，具體設(shè)計(jì)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(chuàng)新點(diǎn)在于輻射單元采用介質(zhì)基材與包括饋電網(wǎng)絡(luò)基材和濾波器屏蔽腔基體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基體一體化注塑成型，一體化介質(zhì)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(diǎn)反相饋電線路在輻射基材的下表面和內(nèi)壁采用選擇性電鍍或者LDS工藝與介質(zhì)基板背面的饋電網(wǎng)絡(luò)電路部分一體化形成、無斷面焊接；所述輻射金屬層與四點(diǎn)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(diǎn)反相饋電線路包含兩個(gè)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(shí)現(xiàn)跳線連接，如此可以實(shí)現(xiàn)輻射單元與饋電網(wǎng)絡(luò)、濾波器的一體化高度集成設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)簡單、尺寸穩(wěn)定性更好、重量小、零件數(shù)量少，與常規(guī)方案相比節(jié)省了輻射單元裝配及焊接的時(shí)間，單模塊生產(chǎn)時(shí)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(jié)構(gòu)

此外，上述介質(zhì)基體上還集成了校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)電路，校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)置在介質(zhì)基體的背向輻射單元的一側(cè)表面上，其金屬地層設(shè)置于介質(zhì)基體相對的另一側(cè)表面上，如此可進(jìn)一步將校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)與輻射單元饋電網(wǎng)絡(luò)集成，更加有利于5G天線的小型化和輕量化發(fā)展。

可見，在AFU技術(shù)的基礎(chǔ)上對輻射單元采用塑料金屬化設(shè)計(jì)，通過一體成型的塑料基體，突破了傳統(tǒng)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的小型化、輕量化和一體化，大幅降低生產(chǎn)制造的成本，簡化有源天線單元的整體結(jié)構(gòu)，滿足5G通信系統(tǒng)的高集成度要求，應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)論

AFU技術(shù)作為5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效解決方案，是5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)未來主流的發(fā)展趨勢之一。本文提供了幾種AFU技術(shù)的具體解決方案，通過天線與濾波器的一體化設(shè)計(jì)，去除常規(guī)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(shí)簡化了天線布局，成本更低，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(yōu)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(yīng)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(chǎn)效率，具有較高的工程應(yīng)用意義。