硅基橡胶聚合物基复合吸波材料5G射频天线干扰抑制研究

李芸芸

(榆林市榆阳区融媒体中心，陕西 榆林 719000)

相对于4G而言，5G网络的频段更高、带宽更宽、基站端天线数量更多等。目前，5G基站端建设中主要采用大规模天线阵列(MU-MIMO)，使用大规模天线阵列系统(MassiveMIMO)对区域进行无线高速网络覆盖。天线传输效率增加的同时，会带来复杂的电磁环境和各类干扰、噪声。因此，必须对5G射频天线旁瓣干扰电磁波的吸收进行研究。手性吸波材料能够显著减少反射和透射波，因此，可在5G天线上应用吸波材料来吸收干扰电磁波。采用甲基硅橡胶颗粒作为介质基，设计吸波单元结构，减少大规模天线阵列所受干扰，提高5G天线的通信可靠性。

1 5G大规模天线性能

5G大规模天线阵列(MU-MIMO)的应用场景众多，主要应用场景有宏覆盖、微覆盖、高层覆盖、郊区覆盖以及无线回传等。宏覆盖有着覆盖范围广、容纳用户多的应用特点，通过MU-MIMO技术大幅提升系统容量才能满足人流密度较大的城区应用；微覆盖是一种覆盖区域小，但用户密集度极高的应用场景，主要用于演唱会、商场、大型赛事、交通枢纽等区域；高层覆盖主要是对较高楼宇的覆盖，例如高层住宅区、高层商务区。

提高传输可靠性和频谱效率是5G大规模天线系统对区域进行无线覆盖的主要任务。MU-MIMO天线技术能够使多个基站天线为多个用户提供同一视频服务资源；MU-MIMO大规模天线技术下，每根天线只需较小功率就可完成发射，可减少对大功率放大器的使用，降低硬件成本；基站端天线数量的增多，可使得通信链路数量增加，提升通信效率，也能够减小多径衰落对系统的影响，简化多址连接操作。但是，大规模天线阵列在“微微蜂窝”结构微覆盖的情况下，在微波波段很容易产生大角域的旁瓣，严重干扰主波束和相邻基站。针对5G MU-MIMO阵列天线存在的赋形旁瓣和残留后瓣的问题，可选择聚合物基复合吸波材料，设计并调整吸波单元体，吸收干扰电磁波，提高5G天线的通信可靠性。

2 吸波材料电物理

2.1 相对复磁导率特性

磁导率可反映出一种材料对一个外加磁场线性反应的磁化程度。用表示磁化强度，表示磁场强度，二者之间存在=的关系，其中为磁化率，是定值。磁介质中的磁感应强度表达式为：

=(+)=(1+)=

(1)

式中：表示真空中的磁导率；是指相对磁导率。复数磁导率=′-″，可表示交变场中磁感应强度和磁场强度之间振幅和相位的关系，实部′为cos，虚部″为sin。均匀交变场中，单位时间、单位体积情况下，磁介质的平均能量损耗和内部储存能量的密度分别表示为：

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可知，均匀交变场中，磁介质能量损耗由的虚部决定；储存能量密度由的实部决定。

2.2 相对复介电常数

相对介电常数是表征介质材料介电性能的参数，也称为相对电容率。介质材料在真空环境中的介电常数表示为，电位移是外场强和这两种参数的乘积。与复数磁导率的表达式类似，相对复介电常数=′-″，其中实部体现电容储能特性，虚部体现电介质能量损耗特性。

3 聚合物基复合吸波材料天线干扰抑制实验

3.1 实验方法与设计原理

实验方法

目前广泛应用的吸波材料有铁氧体吸波材料、纳米吸波材料、高分子吸波材料和手性吸波材料等。以手性吸波材料为基础进行吸波层的建立，该材料的优良吸波性能，能够减少电磁波的反射和干扰。吸波层的介质基采用甲基硅橡胶颗粒，该材料有着耐热耐寒、弹性伸缩大和无毒无害的优势，适用温度范围为-90 ℃到300 ℃，且较好的抗老化、耐光以及电绝缘特性使其非常适合应用于外界环境中，在5G天线的设计和使用中能够发挥良好干扰抑制作用。聚合物基复合吸波层结构如图1所示。

图1 聚合物基复合吸波材料结构示意图Fig.1 Structure diagram of polymer-based composite absorbing material

一方面，通过调整聚合物基复合吸波材料中甲基硅橡胶颗粒的含量，来改变对微波的吸波能力。另一方面，改变该吸波层的介质基板特性，例如，其形状、尺寸、厚度，或者调整天线金属面板的介电常数，找到吸波层吸波能力最大的频率点。通过对吸波材料的电物理特性分析，首先确定各参数设计出单元吸波体，然后在波导实验装置中的铁氧体基板上以周期性重复排列，形成双频谐振吸波体。采用高频电磁仿真软件(CST)进行全波仿真，对描述电磁波散射的横电波(TE)和横磁波(TM)在以不同角度入射时电磁波的吸收率、反射率以及透射率曲线进行分析。

设计原理

采用等效媒质理论设计吸波层，吸波器的吸收率用表示，其函数为：

()=1-()-()

(4)

式中：()为反射率；()为透射率，若当透射率趋于0，那么将只有()可以对吸波效能造成影响。理论上，尽可能降低反射率和透射率，这样吸波器的吸收率就能达到最大化。通过调整、设计聚合物基复合吸波材料中甲基硅橡胶颗粒的含量与形状、天线金属面板的介电常数、介质基板的尺寸与形状等参数，就能获得所有我们需要的磁导率和介电常数数值，以实现对入射电磁波的超强吸收。

3.2 设计方案

技术路线

观测者与波源的相对位置改变，将底层连续的铁氧体金属衬板应用到5G射频天线，使得透射率近乎为0，简化技术路线。若自由空间波阻抗为，则吸波体的等效阻抗可表示为()，反射率的表达式为：

(5)

由式(5)可知，当=时，的结果为0，吸收率=1，即吸波体能够吸收全部的电磁波。另外，依据等效媒质理论，当吸波体的等效相对磁导率()等于等效相对介电常数()时，=，吸波率也会达到1；而只有吸波体的物理参数能够改变等效媒质参数，因此通过优化聚合物基复合吸波单元的结构，提升天线的干扰抑制效果。

结构设计

聚合物基复合吸波单元采用甲基硅橡胶作为原材料，吸波单元设计为方形环状。在实际的5G集成天线应用中，吸波单元需要重复排列才能与天线的实际面积相对应，周期性排列的吸波单元组成了双频谐振吸波体，其单元结构设计示意图如图2所示。单元结构以“mm”为单位，其中，甲基硅橡胶厚度为2 mm，金属层厚度为0.13 mm，圆环厚度为0.13 mm，单元结构边长为24 mm。双频吸波体单元结构如图2所示。

图2 双频吸波体单元结构Fig.2 Structure of dual-frequency absorber element

4 仿真实验与装置

4.1 装置

该实验采用的是AV3618系列微波一体化矢量网络分析仪，频率范围为50 MHz至20 GHz，内置电磁响应行为(S)参数测试装置，采用矩形波导法，通过该仪器测量5G微波段待测吸波样品的散射参数。整体吸波体结构是由单元结构在纵向和横向上周期性排列而成。将待测吸波样品放置于矩形波导中央位置，按图3中坐标所示，电场与轴平行，磁场与轴平行，电磁波矢量水平射入待测样品。

图3 波导实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of waveguide experimental device

如低频段的微波输入频率在1～6 GHz，可测得电磁波反射特性曲线。在1～6 GHz时，曲线都有着反射衰减现象；其中，有2个谐振点的反射较小。通过调整吸波单元结构的圆环外环半径和正方形外环边长，可改变反射特性曲线，使曲线中的谐振频点前移或后移，以找出最大吸波频点。

4.2 仿真结果分析

复合吸波材料5G射频天线干扰抑制实验采用高频电磁仿真软件(CST)进行全波仿真。启动CST仿真软件后，在界面中创建新项目，选择适合的模板，设置单位、频率和时间等参数；设置工作平面、定义介质板材料、创建同轴线、定义波导端口等。在Modeling中画出实验设计的吸波体单元结构，将低频段的频率设为1～6 GHz。在Home解析器中，选择频率解析，开始计算，以散射参数()表示吸收率()的公式为：

(6)

当电磁波垂直入射吸波单元结构时，实际仿真所得吸收率、反射率和透射率曲线如图4所示。

图4 电磁波吸收率、反射率和透射率曲线Fig.4 Absorption,reflectance and transmittance curves of electromagnetic waves

由图4可知，介质底层接地金属板和铁氧体“衬板”的设计，使得透射率曲线在低频范围内几乎为0，电磁波损耗严重。在3.50 GHz和4.86 GHz频率点左右，入射波的吸收率能够超过90%，此时相对带宽在30%左右，与目前5G中、高频段的中心频率较为符合，能够较好吸收干扰电磁波，对5G射频天线的旁瓣干扰抑制效果显著。

5 结语

综上所述，采用甲基硅橡胶颗粒作为吸波材料，吸收天线旁瓣和副瓣干扰电磁波。通过对介质特性的探究、吸波单元结构尺寸的设计，并进行全波仿真分析，提升了双频带吸收体的性能。将实验设计的吸波体贴于5G大规模阵列天线背面，能够对射频带外辐射干扰进行有效抑制，达到增强波束赋形能力与抗干扰能力的目的。