一、研究背景

為了滿足關鍵性能指標，第五代移動通信（5G）系統采用了多項關鍵技術，其中大規模多輸入多輸出(MassiveMultiple-Input and Multiple-Output, mMIMO)技術是目前公認的關鍵無線技術，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勢。mMIMO技術導致基站天線的數量急劇增加。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，基站中天線數量的飛速增加直接導致AAU的投影面積迅速增大，這不可避免地產生了較大的風阻，導致其安裝難度增大、安全性與可靠性變差。風阻急劇增大帶來的不利影響對于工作在sub-6GHz頻段的超大規模基站天線陣列尤為明顯，已經成為限制陣元數量增加、阻礙輻射性能提高的重要原因之一。為此，有必要擴展對基站天線的多物理場研究，設計低風阻天線結構，在滿足天線電磁性能的同時實現低風阻。

風阻主要受到三個因素的影響：阻力系數、投影面積、動態壓強。阻力系數取決于物體的形狀，該形狀越是有利于空氣流動，阻力系數越小；投影面積是指物體的迎風面大小，取決于風向和物體的尺寸；動態壓強的大小取決于風速和空氣密度。當基站的選址確定之后，動態壓強的大小很難人為改變，而追求阻力系數極小的基站外形設計超出了電磁學領域的研究范圍。因此，通過減小投影面積來減小超大規模基站天線陣列的風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阻基站模型，基于天線小型化設計，改變傳統的金屬地結構，對陣元及其射頻模塊單獨封裝，以此來盡可能減小新型AAU的投影面積，從而減小基站的風阻。

圖1. 采用mMIMO技術的基站：(a)傳統的基站模型；(b)新型低風阻基站模型

二、天線設計

為了實現新型低風阻AAU的設計，本文提出了一種新型的±45°雙極化交叉偶極子天線結構。如圖2所示，該天線通過加載缺陷地結構(DefectedGround Structure, DGS)改善小型化領結型交叉偶極子的交叉極化比、增益等性能。DGS延長了表面電流的電路徑，并且減小了兩個輸入端口之間的電場強度。通過該DGS層與金屬網反射器結構取代傳統的金屬地，天線的整體投影面積被減小。所設計的天線單元實物如圖3所示，該天線通過兩根同軸饋線分別進行激勵，所得到的S參數和增益的仿真與實測結果如圖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)三維結構圖；(b)側視圖

圖3. 具有較小投影面積的雙極化天線實物圖：(a)俯視圖；(b)三維結構圖

從上述結果圖像中可以看出，所提出的天線在680-970MHz頻段內具有良好的輻射性能，同時實現了較小的投影面積。基于此結構可組成如圖1(b)所示的低風阻大規模基站天線陣列。

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)所示的低風阻8×8陣列。對該陣列進行多物理場分析，可得到陣列的電磁性能和流體力學性能。圖6是由所設計的天線單元所組成的8×8低風阻陣列的仿真結果圖，從圖中可以看出該陣列的S參數、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行應用。 對該陣列結構進行流體力學仿真時增加了單獨的天線罩結構，風阻分析通過流體力學仿真軟件Fluent進行。圖7展示了圖1中兩個不同AAU在同等環境條件設置下不同的壓強云圖，并且可得到對應的風阻大小，相比于風阻大小為1132.79N的傳統64陣元AAU，本文所研究的新型低風阻64陣元AAU的風阻大小為585.28N，風阻減小了48%，后續可通過天線罩的進一步流線型設計繼續減小風阻。

圖6. 新型低風阻8×8陣列仿真結果：(a)S參數與增益；(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. 風阻仿真壓強云圖：(a)具有完整金屬地結構與一個天線罩的傳統64天線單元AAU；(b)具有金屬網結構與多個分離天線罩的低風阻64天線單元AAU

審核編輯 ：李倩