基于吸波材料的5G 射频天线干扰抑制应用研究∗

马 虹

(南京工业职业技术大学电气工程学院，江苏 南京 210023)

相对于4G，5G 拥有更高的频段、超大带宽、更多的收发天线、更加复杂的波束赋形工作模式等[1]。目前，5G 基站端主要运用大规模天线阵列(MU-MIMO)，再用大规模天线阵列系统(Large Scale Antenna System，或称为Massive MIMO)进行无线覆盖。大规模多天线技术的应用显示出更多优越特性，但同时会带来各类干扰和噪声，因此，必须综合考虑干扰管理与抑制策略。由于吸波材料可以吸收投射到其表面的电磁波能量并转化为热能和其他形式的能量并消耗掉。因而，设计5G 天线时可以在结构上运用吸波材料吸收噪声电磁波，以达到减小干扰的目的。

1 5G 大规模天线应用场景特征分析

5G 基站端大规模天线阵列主要应用在宏覆盖、高层覆盖、微覆盖、室内分布系统和无线回传等场景。室外宏覆盖用在人口密集城区时，需要大幅度提高系统容量，可通过天线波束赋形提供更多空分流数来实现；微覆盖主要用于用户密集区域，如大型商业综合体、体育中心、交通枢纽等，微覆盖场景下往往区域面积较小，但用户密集度却非常高，且有“潮吸”现象，可以通过天线定向波束灵活调整；高层覆盖是通过较低位置的基站为附近的高层楼宇提供覆盖，如大城市的超高层商务楼和高层住宅区等，此场景下用户位置呈现出“2D/3D”形态分布，基站需要通过波形赋束后，具备垂直方向覆盖及水平方向覆盖能力。MU-MIMO 主要应用场景的特征描述和潜在问题如表1 所示。

表1 MU-MIMO 主要应用场景特征描述和潜在问题

5G 大规模天线系统部署应用场景的主要目标是提高频谱效率和传输可靠性。首先，MU-MIMO在实现有效覆盖的基础上，能够显著增强空间维度资源，使得多个用户共享同一时频资源；其次，MUMIMO 能够通过多个天线来削弱多径衰落对系统的影响；第三，随着参与信号传输的天线数目的增多，MU-MIMO 能够有效简化多址连接的过程。但是，Massive MIMO 技术在原理上还有信道非互易性、导频污染、非理想无线传播条件及信道响应正交等问题需要进一步研究解决，[2－3]且MU-MIMO 在波束赋形、窄细化、空间分辨率等方面要求更高，特别是在“微微蜂窝”结构微覆盖的情况下，天线采用多天线阵列组合时，在特定的覆盖区域需要形成窄主波束，对于微波波段可能会产生大角域的旁瓣，而旁瓣会对主波束和相邻基站形成较大干扰。本文就是充分考虑MU-MIMO 存在赋形旁瓣和残留后瓣的情况，研究设计与应用柔性聚合物基材料吸波体，吸收天线主波束带外干扰电磁波，以达到进一步抑制和削弱干扰的目的。

2 吸波材料的电物理特性

相对复磁导率和相对复介电常数都是表征吸波材料电磁特性的基本参数，是评价吸波材料优劣的主要依据，对其物理意义的理解有助于掌握吸波材料的吸波机理，加强吸波材料的研究与改进。

(1)相对复磁导率

在静磁场中大多数各向同性的磁介质内部任一点的磁化强度M和磁场强度H成正比，比值χm为定值，称为磁化率，即M＝χmH。磁介质中的磁感应强度B可以表示为B＝μ0(M＋H)＝μ0(1 ＋χm)H＝μ0μrH，式中μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率。

当外加交变磁场时，其振幅为Hm，角频率为ω，即H＝Hmcos(ωt)，相应磁感应强度B也呈周期性变化，但由于存在磁滞效应和自然共振等，B在时间上将落后于H一个相位差δ，即B＝Bmcos(ωt－δ)，式中Bm为振幅。为表示交变场中B和H的关系，引入复数磁导率μ，它反映B和H之间振幅和相位的关系，即μ＝μ′－jμ″，式中分析可知，均匀交变场中铁磁体在单位时间单位体积内的平均能量损耗为

磁介质内部储存能量的密度为

由式(1)和式(2)可以看出，交变磁场中磁介质储存的能量密度与复磁导率的实部成正比，而能量的损耗则由相对复磁导率的虚部决定。

(2)相对复介电常数

在静电场中，介质在真空中的介电常数为ε0，相对介电常数为εr，则电位移D和外场强E的关系为D＝ε0εrE。在交变电场中，当外场频率增加时，介质的极化逐渐落后于外电场的变化。引入相对复介电常数ε，即ε＝ε′－jε″。式中实部表示电容储能特性。虚部相当于在电容上并联了一个等效电阻，标志电介质损耗能量的能力。

(3)磁损耗角正切和电损耗角正切

磁损耗角正切用磁介质磁导率的虚部与实部比值来描述，即

同样，电损耗角正切定义为:

式(3)、式(4)表示若吸波材料的相对复磁导率的虚部μ″和相对复介电常数的虚部ε″越大，其吸波能力则越强。

3 国内外吸波材料研究进展

为了对抗新型雷达技术的快速发展，很多空间飞行器的“隐身”要求越来越高，[4]特别是要求电磁波空间分布的电场强度更强，波长更长，在电磁兼容与屏蔽工程方面也越来越复杂。为了减少电磁波的反射和干扰，通常会采用吸波材料。[5]因此，国内外对吸波材料的研究与应用方兴未艾。

按照吸波材料的工作原理可分为相对复磁导率与相对复介电常数相等的吸波材料、四分之一波长“谐振”吸波材料、阻抗渐变“宽频”吸波材料、衰减表面电流的薄层吸波材料等基本类型。目前广泛应用和进一步研究改进的吸波材料主要有以下几种。

(1)铁氧体吸波材料

铁氧体吸波材料包括磁性氧化物和磁性陶瓷两类，其相对磁导率及相对介电常数都呈现复数形式，因此，铁氧体吸波体包含介电损耗和磁损耗，有较好的天然吸波特性。Sugimoto 等人研究发现，Ba-M 型铁氧体中掺杂物Ti 和Mn 的含量，可以改变铁氧体材料的磁晶各向异性场、饱和磁化强度及居里温度，进而改变相应的自然共振频率，最终改变μ″。这可使铁氧体铁磁共振频率在3.85 GHz～60.18 GHz 之间发生变化，从而达到阻抗匹配，其吸波剂厚度小于4 mm 时，反射衰减可超过－20 dB。

(2)宽频带吸波材料

宽频带吸波材料为一种磁性吸收剂，如美国使用的席夫基盐吸收剂，在受到雷达波照射时，分子结构中出现重新暂时排列的现象，进而吸收电磁波。

(3)纳米吸波材料

当电磁波辐射到纳米材料表面时，会产生小尺寸效应、量子效应、隧道效应、表面界面效应等现象，呈现界面极化、多重散射、电子能级分裂等电、磁、光、热等奇异特性，通过加剧原子、电子运动，促使电磁能转化为热能，形成良好的吸波效果。纳米吸波材料具有吸波频带宽、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点。目前国内外主要有纳米金属与合金吸波材料、纳米复合膜吸波材料、纳米陶瓷吸波材料、纳米氧化物吸波材料等。美国已研制出一种“超黑粉”的纳米吸波材料，其微波吸收率高达99%。国内彭伟才等人通过研究不同Fe 纳米线含量的随机分布及Fe 纳米线/绝缘体复合吸波材料在不同厚度下的反射率，得出体积分数为25%的复合吸波材料，其在9.7 GHz 时的反射衰减达－45 dB。邓联文采用雾化工艺和高能球磨技术制成纳米晶Fe85Si1Al6Cr8扁平状颗粒合金粉，其在4 GHz 附近的低频微波波段具有很好的吸波性能。

(4)高分子吸波材料

高分子结构导电聚合物与无机磁损耗物质或超微粒子复合，可形成低密度轻型宽带微波吸收材料。此类吸波材料的吸波机理是利用某种具有共轭π电子的高分子聚合物的线形或平面形构型与高分子电荷转移络合物作用，设计其导电结构，实现阻抗匹配与电磁损耗。日本筑波大学百川英树[8]早期进行了大量研究，导电高聚合物的吸波性能与其电磁参数，如介电常数、电导率等有关。电磁参量主要依赖于高聚物的主链结构、室温导电率、掺杂剂性质、微观形貌、涂层厚度及结构等因素。这些高分子聚合物主要有聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等，其具有研制周期短、成本低、投资少、效益好等特点，目前在军事上应用广泛。

(5)结构吸波材料

结构吸波材料一般是将树脂基体与吸波剂混合而成，然后通过碳纤维、玻璃纤维、芳纶等增强，制成层板型、蜂窝型、复合型三种应用形态。结构型吸波材料不仅具有良好的透波吸波性能，而且具有强度好、韧性强、质量轻等显著优点，可广泛应用在特殊场合。

(6)手性吸波材料

手性吸波材料是指与其镜像不存在几何对称性，且不能通过任何方法使其与镜像相重合的材料。手性吸波材料一般具有后向波传播、负的折射率及反向多普勒效应[6]等特性，使辐射到手性吸波材料上的透射和反射波大为减少，而显现出“吸波特性”。而新型手性吸波材料的使用形成了一种超透镜的能力，能够提供衍射极限之外的空间分辨率。Tao H 等人[1，7]利用改进的单元结构制备出了作用于太赫兹波段的吸波材料。Veselago[9]将坡印廷矢量的方向作电场和磁场方向的函数进行手性材料研究，定义了所谓“左手材料”。

在经典电磁场理论中，正弦时变电磁场的波动方程(Helmholtz 方程)为:

式中:k×E＝ωμH，k×H＝－ωμE，k·E＝0，k·H＝0。

介电常数ε和磁导率μ是描述介质电磁性质的主要参数。E、H、k之间满足右手螺旋关系，通常的介质被称为“右手材料”。

天然的介质μ和ε的大小是相对电磁波频率而言的，通常为使电磁波能够正常传播，采用无损耗、各向同性、空间均匀的介质，方程(5)有波动解，进一步由麦克斯韦方程组推出波数:

如果以乙炔、镍板和三氯化磷为原料通过一定工艺制作成螺旋炭纤维手性吸波材料，使得“手性材料”的μ和ε两者一个为正数，而另一个为负数，即k2<0，k无实数解，则方程(5)无波动解，电磁波不能在其中传播，这就形成了吸波效应。

4 本设计的主要内容

本研究中的吸波层是在研究手性材料工作基础上建立的，采用介质基为甲基硅橡胶颗粒。甲基硅橡胶无毒无害、弹性伸缩大、耐热耐寒，在300 ℃～－90 ℃时，可保持原有物理特性不变，具有良好的电绝缘和耐氧化、耐光、抗老化特性，非常适合5G 天线在恶劣自然环境中使用。吸收层为聚合物基复合层，其结构和坐标系设置如图1 所示。复合吸波材料的吸波能力是每一个吸波剂颗粒对电磁衰减的总和。

图1 聚合物基复合吸波材料结构及电磁波入射示意图

(1)研究方法

本研究通过调整甲基硅橡胶颗粒的浓度，研究复合基对微波的吸波效能；另一方，通过调整甲基硅橡胶基复合吸波材料的介质基板厚度、形状、尺寸及天线金属面板介电常数，寻找最大吸波能量频率点。基于聚合物基吸波材料的电磁谐振特性，首先设计微带式单元吸波体，然后在铁氧体基板形成周期性排列。通过基于有限元法的微波电磁仿真软件(CST)进行全波仿真，对TE 和TM 极化波在不同入射角下的吸波率曲线进行分析。

(2)设计原理

聚合物基吸波材料设计运用等效媒质理论，若用A表示吸波器的吸收率，则:

式中:R(ω)＝｜S11｜2，T(ω)＝｜S21｜2分别表示反射率和透射率。由于吸波器的背板是金属结构，厚度较厚，超过微波趋肤效应深度，可用铁氧体作“衬板”，故透射率表示为S21→0，因此，式(7)简化成:

通过合理选择甲基硅橡胶颗粒的形状、浓度，设计介质基板厚度、形状、尺寸及天线金属面板介电常数，理论上可以得到任意数值的介电常数ε和磁导率μ，使反射率和透射率降到最低。

5 结构设计技术路线与方案

(1)技术路线

对某一吸波频率，由于吸波体介质层的多普勒效应，其表面与界面效应等的能量损耗使电磁特性发生了“吸波现象”。5G 阵列天线可采用底层连续的铁氧体金属板，可保证透射为0。设η0为自由空间波阻抗，吸波体的等效阻抗为ZMA(ω)，则有:

从式(9)中可以看出，当ZMA＝η0时，R＝0，A＝1，即实现了吸波体对电磁波的“完美”吸收。此外，超材料结构具有亚波长特性，因而可以用等效媒质理论对其进行分析。当吸波体的等效相对介电常数ε(ω)和等效相对磁导率μ(ω)满足ε(ω)＝μ(ω)时，ZMA＝η0。而等效媒质参数由吸波体的物理参数唯一决定，因此通过单元结构的优化，即可实现对入射电磁波的超强吸收。[8－9]

(2)结构设计

根据美国Landy N I 教授[10]对微波段超材料吸波器的设计思路，本研究运用甲基硅橡胶作为聚合物基复合吸波材料，单元设计为圆环和方形外环形状，根据集成天线的实际面积，需要重复排列，从而形成双频谐振吸波体，其单元结构如图2 所示。其中R1为内圆环半径，C为正方形外环边长。为保证能量消耗，应使金属面板有效接地。吸波体单元结构为纵向加横向周期性重复排列，形成整体吸波体结构。

图2 双频吸波体单元结构

6 实验测量装置与仿真分析

(1)实验装置

波导实验装置如图3 所示，其中1 是AV3618矢量网络分析仪，2 是同轴电缆，3 是矩形波导，4 是测试样品。矩形波导的横截面尺寸为22.86 mm×10.16 mm。运用矩形波导法，通过AV3618 一体化矢量网络分析仪分别测量设计样品在5G 微波段的电磁响应行为(S参数)。待测样品放置在波导中央，此时电磁波矢量k平行于待测样品入射，即沿x轴方向入射，电场E平行于y轴方向，磁场H平行于z轴方向。

图3 波导实验装置示意图

若电磁波入射方向与吸波体表面垂直，极化方向默认为Y 极化，低频段微波输入频率为1 GHz～6 GHz，测得归一化反射系数对应值如图4 所示。由图4 可知，整个频段范围内都有一定反射衰减，其中，反射较小的有两个谐振频率点，如当圆环半径R2为5.5 mm，正方形外环边长C为20 mm 时，谐振点则出现在f1＝3.49 GHz、f2＝4.85 GHz，在频点2.5 GHz 处反射衰减显著增大。改变R2和C的尺寸可使谐振频点发生移动，这样可以寻找最大吸波频点。

图4 电磁波归一化反射特性曲线

(2)仿真结果分析

采用基于有限元法的高频电磁仿真软件CST 进行全波仿真，能有效仿真TE 和TM 极化波在以不同入射角进入二维周期性吸波体结构时的情况，[10－12]求解传输系数和反射系数，并以S参数形式显示。在打开的CST 仿真软件界面中选择新建工程，点击Home 中的Units，设置单位、频率和时间，频率范围设定为1 GHz～6 GHz，在Modeling 中画出图2 所示吸波体单元结构尺寸图形，然后再点击Simulation 按钮，对频率、背景、边界条件等进行设定。在Home 解析器中，选择频率解析，以S参数求出吸波器的反射率R、透射率T和吸收率A之间的关系为:

图5 所示为实际仿真测得的电磁波垂直入射吸波单元时的反射率、透射率和吸收率曲线。

图5 电磁波垂直入射时反射率、透射率和吸收率曲线

从图5 可以看出，由于介质底层采用了接地金属板和铁氧体“衬板”，进一步加大了电波损耗，故透射率在全频带几乎为0，当中心频率为3.49 GHz和4.85 GHz 时，入射波吸收率达到90%以上，相对带宽约为30%，符合目前运营商在5G 中、高频段的中心频率，对5G 大规模阵列天线的旁瓣干扰电磁波吸收效果显著。

7 结束语

5G 网络建设正在如火如荼进行，其基站端超大规模天线阵列(MU-MIMO)的应用和微蜂窝覆盖的要求，使真正实现良好无缝覆盖的目标还有诸多工作要做。本研究中采用聚合物甲基硅橡胶颗粒柔性超材料吸波体来吸收天线旁瓣及副瓣电磁能量，以减少干扰，具有十分重要的现实意义。这是因为，随着超大规模天线阵列的应用和天线灵敏度的提高，天线带外辐射干扰显著增强。通过对介质特性和设计尺寸之间关联性的研究，进一步探索了超表面的性能与表面单元之间的联系，提高了双频带吸收体的性能，当使用本吸波体贴于阵列天线背面时，可有效降低射频带外辐射干扰，具有一定的实用价值。未来，随着5G 大规模网络覆盖，需进一步实施“空分复用”，增强天线波束赋形性能，可以采用多层吸波材料的设计方案，即设计透波层、过渡吸收层、强磁损耗层，通过不同吸波层差异特性设计，达到改善吸波效果和展宽频带的目的。