低风阻5G基站天线阵列设计

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一、研究背景
 
为了满足关键性能指标,第五代移动通信(5G)系统采用了多项关键技术,其中大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input and Multiple-Output, mMIMO)技术是目前公认的关键无线技术,在大幅度提高信道容量、抑制衰落、提高信息传输可靠性等方面具有突出优势。mMIMO技术导致基站天线的数量急剧增加。目前的基站主流配置是基带单元(Baseband Unit, BBU)与有源天线处理单元(Active Antenna Unit, AAU)相组合,如图1(a)所示,基站中天线数量的飞速增加直接导致AAU的投影面积迅速增大,这不可避免地产生了较大的风阻,导致其安装难度增大、安全性与可靠性变差。风阻急剧增大带来的不利影响对于工作在sub-6 GHz频段的超大规模基站天线阵列尤为明显,已经成为限制阵元数量增加、阻碍辐射性能提高的重要原因之一。为此,有必要扩展对基站天线的多物理场研究,设计低风阻天线结构,在满足天线电磁性能的同时实现低风阻。
 
风阻主要受到三个因素的影响:阻力系数、投影面积、动态压强。阻力系数取决于物体的形状,该形状越是有利于空气流动,阻力系数越小;投影面积是指物体的迎风面大小,取决于风向和物体的尺寸;动态压强的大小取决于风速和空气密度。当基站的选址确定之后,动态压强的大小很难人为改变,而追求阻力系数极小的基站外形设计超出了电磁学领域的研究范围。因此,通过减小投影面积来减小超大规模基站天线阵列的风阻是更直接有效的方法。图1(b)中是本文所提出的新型低风阻基站模型,基于天线小型化设计,改变传统的金属地结构,对阵元及其射频模块单独封装,以此来尽可能减小新型AAU的投影面积,从而减小基站的风阻。
 
低风阻5G基站天线阵列
图1. 采用mMIMO技术的基站:(a)传统的基站模型;(b)新型低风阻基站模型
 
二、天线设计
 
为了实现新型低风阻AAU的设计,本文提出了一种新型的±45°双极化交叉偶极子天线结构。如图2所示,该天线通过加载缺陷地结构(Defected Ground Structure, DGS)改善小型化领结型交叉偶极子的交叉极化比、增益等性能。DGS延长了表面电流的电路径,并且减小了两个输入端口之间的电场强度。通过该DGS层与金属网反射器结构取代传统的金属地,天线的整体投影面积被减小。所设计的天线单元实物如图3所示,该天线通过两根同轴馈线分别进行激励,所得到的S参数和增益的仿真与实测结果如图4所示,辐射方向图如图5所示。
 
低风阻5G基站天线阵列
图2. 具有小投影面积的±45°双极化天线:(a)三维结构图;(b)侧视图
 
低风阻5G基站天线阵列
图3. 具有较小投影面积的双极化天线实物图:(a)俯视图;(b)三维结构图
 
低风阻5G基站天线阵列
低风阻5G基站天线阵列
图4. 双极化天线的仿真和测试结果:(a)S参数;(b)增益
 
从上述结果图像中可以看出,所提出的天线在680-970MHz频段内具有良好的辐射性能,同时实现了较小的投影面积。基于此结构可组成如图1(b)所示的低风阻大规模基站天线阵列。
 
低风阻5G基站天线阵列
图5. 双极化天线的归一化辐射方向图,680MHz处:(a)水平面;(b)垂直面;820MHz处:(c)水平面;(d)垂直面;970MHz处:(e)水平面;(f)垂直面
 
三、多物理场分析
 
利用具有较小投影面积的新型双极化天线单元,可组成如图1(b)所示的低风阻8×8阵列。对该阵列进行多物理场分析,可得到阵列的电磁性能和流体力学性能。图6是由所设计的天线单元所组成的8×8低风阻阵列的仿真结果图,从图中可以看出该阵列的S参数、增益、交叉极化比、前后比等辐射性能良好,且可作为多波束阵列进行应用。
 
对该阵列结构进行流体力学仿真时增加了单独的天线罩结构,风阻分析通过流体力学仿真软件Fluent进行。图7展示了图1中两个不同AAU在同等环境条件设置下不同的压强云图,并且可得到对应的风阻大小,相比于风阻大小为1132.79N的传统64阵元AAU,本文所研究的新型低风阻64阵元AAU的风阻大小为585.28N,风阻减小了48%,后续可通过天线罩的进一步流线型设计继续减小风阻。
 
低风阻5G基站天线阵列
图6. 新型低风阻8×8阵列仿真结果:(a)S参数与增益;(b)680MHz处辐射方向图;(c)820MHz处辐射方向图;(d)970MHz处辐射方向图;(e)水平面波束扫描辐射方向图;(f)垂直面波束扫描辐射方向图
 
低风阻5G基站天线阵列
图7. 风阻仿真压强云图:(a)具有完整金属地结构与一个天线罩的传统64天线单元AAU;(b)具有金属网结构与多个分离天线罩的低风阻64天线单元AAU
 
【论文信息】
 
B. Y. Han, Q. Wu, C. Yu, H. M. Wang, X. Q. Gao, and N. Ma, “Ultra-compact dual-polarized cross-dipole antenna for a 5G base station array with a low wind load,” IEEE Trans. Antennas Propag., DOI: 10.1109/TAP.2022.3184472, Early Access, June 2022。
 
本文转载自海言明语 ,作者韩碧莹、王海明
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