一、研究背景
为满足关键性能指标,第五代移动通信(5G)系统采用了多项关键技术,其中海量多输入多输出(MMIMO)技术是目前公认的关键无线技术,在大幅增加信道容量、抑制衰落、提高信息传输可靠性方面具有突出优势。MMIMO技术导致基站天线数量急剧增加。目前基站的主流配置是基带单元(BasebandUnit,BBU)和有源天线单元(ActiveAntenna Unit,AAU)的组合。如图1(a)所示,基站天线数量的快速增加直接导致AAU的投影面积快速增加,必然导致风阻较大,导致安装难度增加,安全性和可靠性变差。风阻急剧增大带来的不利影响对于工作在6GHz以下频段的超大型基站天线阵列尤为明显,成为限制阵元增加、阻碍辐射性能提升的重要原因之一。因此,有必要拓展基站天线多物理场的研究,设计低风阻的天线结构,在满足天线电磁性能的同时实现低风阻。
风阻主要受三个因素影响:阻力系数、投影面积和动压。阻力系数取决于物体的形状。形状越有利于空气流动,阻力系数越小。投影面积是指物体迎风面的大小,取决于风向和物体的大小;动压取决于风速和空气密度。基站位置确定后,很难人为改变动压,阻力系数最小的基站设计超出了电磁学的研究范围。因此,通过减小投影面积来降低超大型基站天线阵的风阻是一种更直接有效的方法。图1(b)是本文提出的一种新的低风阻基站模型。基于天线小型化设计,改变传统的金属接地结构,将天线单元及其射频模块分开封装,使新型AAU的投影面积最小化,从而降低基站的风阻。
1.采用mMIMO技术的基站:(a)传统基站模式;新的低风阻基站模型
二、天线设计
为了实现新型低风阻空调机组的设计,本文提出了一种新型45双极化交叉偶极子天线结构。如图2所示,天线通过加载有缺陷的接地结构(DGS)来改善小型化蝶形交叉偶极子的交叉极化比、增益和其他性能。DGS扩展了表面电流的电路径,并降低了两个输入端口之间的电场强度。通过用DGS层和金属网状反射器结构代替传统的金属接地,天线的总投影面积减小。所设计的天线单元的物理对象如图3所示。天线由两个同轴馈线激励,S参数和增益的仿真和测量结果如图4所示,辐射方向图如图5所示。
2.45小投影面积双极化天线:(a)三维结构图;(b)侧视图
3.小投影面积双极化天线物理图:(a)俯视图;(二)立体结构图
4.双极化天线的仿真和测试结果:(a)S参数;收益
从上述结果可以看出,所提出的天线在680-970MHz的频带内具有良好的辐射性能,同时实现了较小的投影面积。基于这种结构,可以形成如图1(b)所示的具有低风阻的大型基站天线阵列。
5.680MHz双极化天线的归一化辐射方向图:(a)水平面;垂直平面;820MHz时:(c)水平面;垂直平面;在970MHz时:(e)水平面;垂直平面
三、多物理场分析
一种新的具有小投影面积的双极化天线单元可用于形成低风阻88阵列,如图1(b)所示。通过多物理场分析可以获得阵列的电磁和流体力学特性。图6是由设计的天线单元组成的88低风阻阵列的仿真结果。从图中可以看出,这种阵列的辐射性能在S参数、增益、交叉极化比、前后比方面都很好,可以作为多波束阵列使用。在阵列结构的水动力模拟中加入了单独的天线罩结构,利用水动力模拟软件Fluent进行了风阻分析。图7显示了图1中两个不同的AAU在相同环境条件下的不同压力云图,可以得到相应的风阻。与传统的64单元AAU 1132.79n的风阻相比,本文研究的新型低风阻64单元AAU的风阻为585.28N,降低了48%的风阻。天线罩进一步流线型设计可以进一步降低风阻。
6.低风阻88阵列的模拟结果:(a)S参数和增益:b)680兆赫的辐射图;(c)820兆赫的辐射图;(d)970兆赫的辐射图;(e)水平波束扫描辐射模式;(f)垂直波束扫描的辐射模式
图7。风阻模拟气压云图:(a)传统64天线单元AAU具有完整的金属接地结构和天线罩;(b)具有金属网结构和多个独立天线罩的低风阻64天线单元AAU
编辑:李倩
标签:天线图基站