硅基橡膠聚合物基復(fù)合吸波材料5G射頻天線干擾抑制研究

李蕓蕓

(榆林市榆陽區(qū)融媒體中心，陜西 榆林 719000)

相對于4G而言，5G網(wǎng)絡(luò)的頻段更高、帶寬更寬、基站端天線數(shù)量更多等。目前，5G基站端建設(shè)中主要采用大規(guī)模天線陣列(MU-MIMO)，使用大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(MassiveMIMO)對區(qū)域進行無線高速網(wǎng)絡(luò)覆蓋。天線傳輸效率增加的同時，會帶來復(fù)雜的電磁環(huán)境和各類干擾、噪聲。因此，必須對5G射頻天線旁瓣干擾電磁波的吸收進行研究。手性吸波材料能夠顯著減少反射和透射波，因此，可在5G天線上應(yīng)用吸波材料來吸收干擾電磁波。采用甲基硅橡膠顆粒作為介質(zhì)基，設(shè)計吸波單元結(jié)構(gòu)，減少大規(guī)模天線陣列所受干擾，提高5G天線的通信可靠性。

1 5G大規(guī)模天線性能

5G大規(guī)模天線陣列(MU-MIMO)的應(yīng)用場景眾多，主要應(yīng)用場景有宏覆蓋、微覆蓋、高層覆蓋、郊區(qū)覆蓋以及無線回傳等。宏覆蓋有著覆蓋范圍廣、容納用戶多的應(yīng)用特點，通過MU-MIMO技術(shù)大幅提升系統(tǒng)容量才能滿足人流密度較大的城區(qū)應(yīng)用；微覆蓋是一種覆蓋區(qū)域小，但用戶密集度極高的應(yīng)用場景，主要用于演唱會、商場、大型賽事、交通樞紐等區(qū)域；高層覆蓋主要是對較高樓宇的覆蓋，例如高層住宅區(qū)、高層商務(wù)區(qū)。

提高傳輸可靠性和頻譜效率是5G大規(guī)模天線系統(tǒng)對區(qū)域進行無線覆蓋的主要任務(wù)。MU-MIMO天線技術(shù)能夠使多個基站天線為多個用戶提供同一視頻服務(wù)資源；MU-MIMO大規(guī)模天線技術(shù)下，每根天線只需較小功率就可完成發(fā)射，可減少對大功率放大器的使用，降低硬件成本；基站端天線數(shù)量的增多，可使得通信鏈路數(shù)量增加，提升通信效率，也能夠減小多徑衰落對系統(tǒng)的影響，簡化多址連接操作。但是，大規(guī)模天線陣列在“微微蜂窩”結(jié)構(gòu)微覆蓋的情況下，在微波波段很容易產(chǎn)生大角域的旁瓣，嚴(yán)重干擾主波束和相鄰基站。針對5G MU-MIMO陣列天線存在的賦形旁瓣和殘留后瓣的問題，可選擇聚合物基復(fù)合吸波材料，設(shè)計并調(diào)整吸波單元體，吸收干擾電磁波，提高5G天線的通信可靠性。

2 吸波材料電物理

2.1 相對復(fù)磁導(dǎo)率特性

磁導(dǎo)率可反映出一種材料對一個外加磁場線性反應(yīng)的磁化程度。用表示磁化強度，表示磁場強度，二者之間存在=的關(guān)系，其中為磁化率，是定值。磁介質(zhì)中的磁感應(yīng)強度表達式為：

=(+)=(1+)=

(1)

式中：表示真空中的磁導(dǎo)率；是指相對磁導(dǎo)率。復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率=′-″，可表示交變場中磁感應(yīng)強度和磁場強度之間振幅和相位的關(guān)系，實部′為cos，虛部″為sin。均勻交變場中，單位時間、單位體積情況下，磁介質(zhì)的平均能量損耗和內(nèi)部儲存能量的密度分別表示為：

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可知，均勻交變場中，磁介質(zhì)能量損耗由的虛部決定；儲存能量密度由的實部決定。

2.2 相對復(fù)介電常數(shù)

相對介電常數(shù)是表征介質(zhì)材料介電性能的參數(shù)，也稱為相對電容率。介質(zhì)材料在真空環(huán)境中的介電常數(shù)表示為，電位移是外場強和這兩種參數(shù)的乘積。與復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的表達式類似，相對復(fù)介電常數(shù)=′-″，其中實部體現(xiàn)電容儲能特性，虛部體現(xiàn)電介質(zhì)能量損耗特性。

3 聚合物基復(fù)合吸波材料天線干擾抑制實驗

3.1 實驗方法與設(shè)計原理

實驗方法

目前廣泛應(yīng)用的吸波材料有鐵氧體吸波材料、納米吸波材料、高分子吸波材料和手性吸波材料等。以手性吸波材料為基礎(chǔ)進行吸波層的建立，該材料的優(yōu)良吸波性能，能夠減少電磁波的反射和干擾。吸波層的介質(zhì)基采用甲基硅橡膠顆粒，該材料有著耐熱耐寒、彈性伸縮大和無毒無害的優(yōu)勢，適用溫度范圍為-90 ℃到300 ℃，且較好的抗老化、耐光以及電絕緣特性使其非常適合應(yīng)用于外界環(huán)境中，在5G天線的設(shè)計和使用中能夠發(fā)揮良好干擾抑制作用。聚合物基復(fù)合吸波層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聚合物基復(fù)合吸波材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of polymer-based composite absorbing material

一方面，通過調(diào)整聚合物基復(fù)合吸波材料中甲基硅橡膠顆粒的含量，來改變對微波的吸波能力。另一方面，改變該吸波層的介質(zhì)基板特性，例如，其形狀、尺寸、厚度，或者調(diào)整天線金屬面板的介電常數(shù)，找到吸波層吸波能力最大的頻率點。通過對吸波材料的電物理特性分析，首先確定各參數(shù)設(shè)計出單元吸波體，然后在波導(dǎo)實驗裝置中的鐵氧體基板上以周期性重復(fù)排列，形成雙頻諧振吸波體。采用高頻電磁仿真軟件(CST)進行全波仿真，對描述電磁波散射的橫電波(TE)和橫磁波(TM)在以不同角度入射時電磁波的吸收率、反射率以及透射率曲線進行分析。

設(shè)計原理

采用等效媒質(zhì)理論設(shè)計吸波層，吸波器的吸收率用表示，其函數(shù)為：

()=1-()-()

(4)

式中：()為反射率；()為透射率，若當(dāng)透射率趨于0，那么將只有()可以對吸波效能造成影響。理論上，盡可能降低反射率和透射率，這樣吸波器的吸收率就能達到最大化。通過調(diào)整、設(shè)計聚合物基復(fù)合吸波材料中甲基硅橡膠顆粒的含量與形狀、天線金屬面板的介電常數(shù)、介質(zhì)基板的尺寸與形狀等參數(shù)，就能獲得所有我們需要的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)數(shù)值，以實現(xiàn)對入射電磁波的超強吸收。

3.2 設(shè)計方案

技術(shù)路線

觀測者與波源的相對位置改變，將底層連續(xù)的鐵氧體金屬襯板應(yīng)用到5G射頻天線，使得透射率近乎為0，簡化技術(shù)路線。若自由空間波阻抗為，則吸波體的等效阻抗可表示為()，反射率的表達式為：

(5)

由式(5)可知，當(dāng)=時，的結(jié)果為0，吸收率=1，即吸波體能夠吸收全部的電磁波。另外，依據(jù)等效媒質(zhì)理論，當(dāng)吸波體的等效相對磁導(dǎo)率()等于等效相對介電常數(shù)()時，=，吸波率也會達到1；而只有吸波體的物理參數(shù)能夠改變等效媒質(zhì)參數(shù)，因此通過優(yōu)化聚合物基復(fù)合吸波單元的結(jié)構(gòu)，提升天線的干擾抑制效果。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

聚合物基復(fù)合吸波單元采用甲基硅橡膠作為原材料，吸波單元設(shè)計為方形環(huán)狀。在實際的5G集成天線應(yīng)用中，吸波單元需要重復(fù)排列才能與天線的實際面積相對應(yīng)，周期性排列的吸波單元組成了雙頻諧振吸波體，其單元結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖2所示。單元結(jié)構(gòu)以“mm”為單位，其中，甲基硅橡膠厚度為2 mm，金屬層厚度為0.13 mm，圓環(huán)厚度為0.13 mm，單元結(jié)構(gòu)邊長為24 mm。雙頻吸波體單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙頻吸波體單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of dual-frequency absorber element

4 仿真實驗與裝置

4.1 裝置

該實驗采用的是AV3618系列微波一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻率范圍為50 MHz至20 GHz，內(nèi)置電磁響應(yīng)行為(S)參數(shù)測試裝置，采用矩形波導(dǎo)法，通過該儀器測量5G微波段待測吸波樣品的散射參數(shù)。整體吸波體結(jié)構(gòu)是由單元結(jié)構(gòu)在縱向和橫向上周期性排列而成。將待測吸波樣品放置于矩形波導(dǎo)中央位置，按圖3中坐標(biāo)所示，電場與軸平行，磁場與軸平行，電磁波矢量水平射入待測樣品。

圖3 波導(dǎo)實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of waveguide experimental device

如低頻段的微波輸入頻率在1～6 GHz，可測得電磁波反射特性曲線。在1～6 GHz時，曲線都有著反射衰減現(xiàn)象；其中，有2個諧振點的反射較小。通過調(diào)整吸波單元結(jié)構(gòu)的圓環(huán)外環(huán)半徑和正方形外環(huán)邊長，可改變反射特性曲線，使曲線中的諧振頻點前移或后移，以找出最大吸波頻點。

4.2 仿真結(jié)果分析

復(fù)合吸波材料5G射頻天線干擾抑制實驗采用高頻電磁仿真軟件(CST)進行全波仿真。啟動CST仿真軟件后，在界面中創(chuàng)建新項目，選擇適合的模板，設(shè)置單位、頻率和時間等參數(shù)；設(shè)置工作平面、定義介質(zhì)板材料、創(chuàng)建同軸線、定義波導(dǎo)端口等。在Modeling中畫出實驗設(shè)計的吸波體單元結(jié)構(gòu)，將低頻段的頻率設(shè)為1～6 GHz。在Home解析器中，選擇頻率解析，開始計算，以散射參數(shù)()表示吸收率()的公式為：

(6)

當(dāng)電磁波垂直入射吸波單元結(jié)構(gòu)時，實際仿真所得吸收率、反射率和透射率曲線如圖4所示。

圖4 電磁波吸收率、反射率和透射率曲線Fig.4 Absorption,reflectance and transmittance curves of electromagnetic waves

由圖4可知，介質(zhì)底層接地金屬板和鐵氧體“襯板”的設(shè)計，使得透射率曲線在低頻范圍內(nèi)幾乎為0，電磁波損耗嚴(yán)重。在3.50 GHz和4.86 GHz頻率點左右，入射波的吸收率能夠超過90%，此時相對帶寬在30%左右，與目前5G中、高頻段的中心頻率較為符合，能夠較好吸收干擾電磁波，對5G射頻天線的旁瓣干擾抑制效果顯著。

5 結(jié)語

綜上所述，采用甲基硅橡膠顆粒作為吸波材料，吸收天線旁瓣和副瓣干擾電磁波。通過對介質(zhì)特性的探究、吸波單元結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計，并進行全波仿真分析，提升了雙頻帶吸收體的性能。將實驗設(shè)計的吸波體貼于5G大規(guī)模陣列天線背面，能夠?qū)ι漕l帶外輻射干擾進行有效抑制，達到增強波束賦形能力與抗干擾能力的目的。