5G一体化天线解决方案及AFU集成技术

刘培涛，陈礼涛，黄立文，苏国生，卜斌龙

（京信通信技术有限公司，广州510730）

1 引言

随着5G时代的到来，基站天线作为支撑5G规模化商用的关键技术，面临着新的技术挑战和发展趋势。根据应用场景的不同，5G基站天线将会同时存在无源基站天线（Base Station Antenna，BSA）和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）两种形态。其中，基于大规模多入多出（Massive MIMO）技术的64T64R甚至128T128R有源天线，由于具备更精确和更高自由度的波束赋形能力[1-2]，可显著提高Massive MIMO系统的频谱效率，从而提升网络容量，将会是5G时代天线的典型产品类型。射频通道数量剧增以及有源化不仅对5G基站天线的体积、重量、功耗、成本提出了更高的设计要求，也使得AAU[3-4]的天线模块和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）均面临结构更复杂、制作工艺更精细的问题。因此，如何实现高性能、一体化、高集成化的设计既是5G天线的重要发展方向[5]，也是当下必须解决的技术难点。

本文提出了几种将RRU的滤波器与天线集成的AFU（Antenna&Filter Unit）技术[6]，并在此技术基础上延伸融合塑料金属化技术[7-8]，旨在实现基站天线的小型化、轻量化及一体化，满足5G技术需要。

2 5G一体化天线解决方案

2.1 带独立整体屏蔽腔体的AFU设计

图1 给出了一种5G天线一体化设计的解决方案，具体如下。

图1 带独立整体屏蔽腔体的AFU天线

一种带独立整体屏蔽腔体的AFU天线包括若干一体化天线模块、反射板、介质滤波器模块、滤波器的PCB馈电板及一体化屏蔽腔体。其中，一体化天线模块包括塑料基材、形成于该塑料基材表面的馈电网络线路层及镀设于塑料基材一侧并由馈电网络线路层馈电的多个辐射单元；多个介质滤波器集成在滤波器的PCB馈电板上构成介质滤波器模块，每个介质滤波器模块的输出端均与馈电网络线路层电连接，一体化屏蔽腔体形成于塑料基材背向辐射单元的一侧并同时屏蔽介质滤波器模块的所有介质滤波器。介质滤波器尺寸小，重量轻，以京信通信3.5 GHz介质滤波器为例，其尺寸为30 mm×17 mm×7 mm，重量为10 g，而常规金属腔体滤波器尺寸为68 mm×25 mm×20 mm，重量为40 g，对于64通道5G天线而言，64个滤波器的重量一共可减少1920 g。

上述带独立整体屏蔽腔体的AFU天线通过将馈电网络线路及辐射单元集成于塑料基材上，同时采用一体化屏蔽腔体对收容于内部的介质滤波器模块提供屏蔽作用，方便地实现了天线与滤波器的一体化集成，减少了传统AAU中天线与RRU之间射频连接件的使用，并能极大地简化RRU的结构和布局，降低了成本，同时使得系统整体尺寸减少10%，重量减轻33%。

为了进一步改善滤波器与天线模块集成的电气性能，设计了一种带独立整体屏蔽腔体的AFU天线的一体化屏蔽腔体，其结构如图2所示。带独立整体屏蔽腔体的AFU天线还可以在一体化屏蔽腔体侧边的端面上设计导电胶带，在屏蔽腔内表面中部区域设计导电薄棉，通过导电泡棉和导电胶带连通屏蔽腔与介质滤波器的相应表面，使介质滤波器实现多面接地，保证屏蔽效果，从而能抑制表面电流辐射造成的高频杂波，对提升AFU天线的指标具有较好的效果。

图2 带独立整体屏蔽腔体的AFU天线的一体化屏蔽腔体设计

天线与滤波器级联的电路及信号流图见图3，天线与滤波器用传输线级联后，可通过信号流图计算出级联后的反射系数。

图3 天线与滤波器级联的电路及信号流图

由公式（1）可知，天线与滤波器互联时，反射系数与滤波器的S参数、连接传输线、天线的反射系数有关，如果未做匹配直接相连，级联后的阻抗可能会失配，整体电路性能会恶化。在传统的AAS（Active Antenna System）中，滤波器通常在设备端，通过盲插接头与天线相连，在实际使用中，天线与滤波器是随机搭配使用的，不同的S参数级联容易导致电路性能变差。而在AFU中，天线与滤波器直接级联，比盲插接头更加可靠，同时通过一体化设计，在研发阶段优化电路性能，在生产时也能通过滤波器及天线的测试，保证从部件到整机的性能。

2.2 集成式屏蔽腔体的AFU技术

本文还提供了5G一体化天线的另一种解决方案，即集成式屏蔽腔体的AFU技术，该技术包括以下两种具体的设计结构。

集成滤波器屏蔽腔体的AFU天线，包括一体化介质基体、若干滤波器模块及滤波器模块的屏蔽盖、至少一个辐射单元、天线馈电网络电路及反射板。其中，一体化介质基体通过注塑工艺成型，包括馈电网络基板和滤波器屏蔽腔基体结构，所述滤波器屏蔽腔基体结构为一面开口的内空结构。具体而言，图4为第一种集成式屏蔽腔体的AFU天线结构，滤波器屏蔽腔基体结构的开口与辐射单元位于同一侧，图5为第二种集成式屏蔽腔体的AFU天线结构，滤波器屏蔽腔基体结构的开口背向辐射单元的一侧设置。滤波器模块包括介质滤波器及其PCB馈电板，介质滤波器可焊接在PCB馈电板上，PCB馈电板对介质滤波器起支撑作用并可集成低通滤波线路，所述滤波器模块安装在滤波器屏蔽腔基体的内空结构里。辐射单元采用金属片或者是附着于介质板上的金属层，辐射单元的馈电巴伦柱也集成在一体化介质基体上，馈电巴伦线路附着于介质巴伦柱的表面，所述辐射单元与馈电巴伦线路耦合电连接，或者是通过焊接实现直接电连接。天线馈电网络电路通过电镀、化学镀或者LDS（Laster Direct Structuring）等工艺形成于馈电网络基板的表面，在馈电网络基板的另一表面相对应地形成有馈电网络电路的金属地层，该馈电网络电路的金属地层可与滤波器屏蔽腔基体结构表面的金属层之间直接连接形成一体。所述滤波器屏蔽腔基体的内/外表面附着金属层，与屏蔽盖共同构成完整滤波器屏蔽结构，滤波器屏蔽腔基体结构内还形成由一体化介质基体提供的第一固定柱和滤波器的馈电柱，其中，第一固定柱穿过所述滤波器模块上开设的通孔结构，通过烫熔工艺融化凸出滤波器的第一固定柱，实现滤波器模块的固定；滤波器馈电柱上附有馈电金属层线路，通过滤波器模块的PCB馈电板上的馈电金属孔焊盘与背面的馈电网络电路连接。馈电网络基板上还形成第二固定柱，该第二固定柱穿过滤波器屏蔽盖上的通孔，并进一步通过烫熔工艺融化凸出部分以将屏蔽盖固定于滤波器模块上。AFU天线的反射板设置相应的避让窗口，避让滤波器屏蔽基体结构。

图4 第一种集成式屏蔽腔体的AFU天线结构

图5 第二种集成式屏蔽腔体的AFU天线结构

上文提供的AFU天线设计方案，通过将滤波器屏蔽腔基体结构、馈电网络基板、馈电巴伦柱及滤波器馈电柱由同一介质基体一体化注塑成型，馈电网络电路、辐射单元的馈电巴伦电路及滤波器屏蔽腔基体上的金属屏蔽层均在介质基体上对应一体化镀设，同时附加屏蔽盖实现滤波器模块的屏蔽；并且滤波器模块、滤波器的屏蔽盖、反射板、辐射单元都可以通过热熔与介质基体一体集成的相应固定柱实现部件之间的安装固定，整体结构简洁，有利于降低RRU结构和布局的设计难度。传统的一体化屏蔽腔（见图2）尺寸较大，通过导电泡棉和导电胶带连通屏蔽腔与介质滤波器的相应表面，实现滤波器的充分接地，保证屏蔽腔的屏蔽效果，从而抑制表面电流辐射造成的高频杂波，否则容易产生干扰；而集成式屏蔽腔体为每个滤波器设置了一个腔体，不仅能屏蔽外部信号干扰，也能提升滤波器之间的隔离度，屏蔽效果更佳，可提升系统整体的电气性能。集成式屏蔽腔采用介质基体一体化注塑成型，重量可比常规金属腔体减少约20%，同时集成度更高，降低了总体生产制造成本。

3 塑料金属化辐射单元技术

天线的辐射单元用于导向和放大电磁波，是基站天线的核心部件。5G网络采用Massive MIMO天线技术，天线通道数的增加将导致辐射单元数量剧增，传统钣金工艺、压铸工艺或者PCB工艺制作的辐射单元在重量和成本上劣势凸显，不适用于5G的发展需求。行业内新提出的塑料金属化辐射单元技术是指采用低损耗、耐高温、介电常数稳定的工程塑料作为辐射单元的介质基体，再在介质基体表面进行电镀/化镀/LDS等工艺形成金属层的技术，能在减轻天线重量、减小天线体积的同时保证辐射特性优，兼具小型化、轻量化、一体化和低成本的综合优势，是当下通信行业各大厂商研究的热点。

本文还提出了一种在上文介绍的AFU设计方案的基础上，将塑料金属化辐射单元技术同时应用于天线系统的设计方案，可使5G天线产品具备更高程度的小型化和集成化，具体设计如图6所示。

图6 展示了采用塑料金属化辐射单元的AFU天线，其创新点在于辐射单元采用介质基材与包括馈电网络基材和滤波器屏蔽腔基体结构的介质基体一体化注塑成型，一体化介质基板的表面局部凸起形成辐射单元的辐射基体，在辐射基体的顶面采用选择性电镀或者LDS工艺形成辐射金属层，所述辐射单元的四点反相馈电线路在辐射基材的下表面和内壁采用选择性电镀或者LDS工艺与介质基板背面的馈电网络电路部分一体化形成、无断面焊接；所述辐射金属层与四点反相馈电线路通过金属化过孔电性连接。具体而言，辐射单元的四点反相馈电线路包含两个反相线路，分别为＋45°极化馈电线路和－45°极化馈电线路；其中一路反相馈电线路在两路反相馈电线路交叉处通过金属化过孔实现跳线连接，如此可以实现辐射单元与馈电网络、滤波器的一体化高度集成设计，整体结构简单、尺寸稳定性更好、重量小、零件数量少，与常规方案相比节省了辐射单元装配及焊接的时间，单模块生产时间可下降70%，大幅降低了工艺制造成本。

图6 采用塑料金属化辐射单元的AFU天线结构

此外，上述介质基体上还集成了校准网络电路，校准网络电路设置在介质基体的背向辐射单元的一侧表面上，其金属地层设置于介质基体相对的另一侧表面上，如此可进一步将校准网络与辐射单元馈电网络集成，更加有利于5G天线的小型化和轻量化发展。

可见，在AFU技术的基础上对辐射单元采用塑料金属化设计，通过一体成型的塑料基体，突破了传统金属振子的重量极限，通过使天线具备更高程度的集成，可进一步实现天线系统的小型化、轻量化和一体化，大幅降低生产制造的成本，简化有源天线单元的整体结构，满足5G通信系统的高集成度要求，应用前景广阔。

4 结论

AFU技术作为5G网络系统的有效解决方案，是5G网络系统未来主流的发展趋势之一。本文提供了几种AFU技术的具体解决方案，通过天线与滤波器的一体化设计，去除常规5G天线中滤波器与天线之间相连的盲插接头组件，性能更加可靠，同时简化了天线布局，成本更低，可实现产品的小型化、轻量化。通过滤波器与天线的一体化高度集成，可在最大程度上优化AFU的性能。塑料金属化工艺在屏蔽腔体及辐射单元等部件的应用提升了零部件集成度，减小了天线重量，并且易于加工制作，提升了生产效率，具有较高的工程应用意义。