馬 虹

(南京工業(yè)職業(yè)技術大學電氣工程學院，江蘇 南京 210023)

相對于4G，5G 擁有更高的頻段、超大帶寬、更多的收發(fā)天線、更加復雜的波束賦形工作模式等[1]。目前，5G 基站端主要運用大規(guī)模天線陣列(MU-MIMO)，再用大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(Large Scale Antenna System，或稱為Massive MIMO)進行無線覆蓋。大規(guī)模多天線技術的應用顯示出更多優(yōu)越特性，但同時會帶來各類干擾和噪聲，因此，必須綜合考慮干擾管理與抑制策略。由于吸波材料可以吸收投射到其表面的電磁波能量并轉化為熱能和其他形式的能量并消耗掉。因而，設計5G 天線時可以在結構上運用吸波材料吸收噪聲電磁波，以達到減小干擾的目的。

1 5G 大規(guī)模天線應用場景特征分析

5G 基站端大規(guī)模天線陣列主要應用在宏覆蓋、高層覆蓋、微覆蓋、室內(nèi)分布系統(tǒng)和無線回傳等場景。室外宏覆蓋用在人口密集城區(qū)時，需要大幅度提高系統(tǒng)容量，可通過天線波束賦形提供更多空分流數(shù)來實現(xiàn)；微覆蓋主要用于用戶密集區(qū)域，如大型商業(yè)綜合體、體育中心、交通樞紐等，微覆蓋場景下往往區(qū)域面積較小，但用戶密集度卻非常高，且有“潮吸”現(xiàn)象，可以通過天線定向波束靈活調(diào)整；高層覆蓋是通過較低位置的基站為附近的高層樓宇提供覆蓋，如大城市的超高層商務樓和高層住宅區(qū)等，此場景下用戶位置呈現(xiàn)出“2D/3D”形態(tài)分布，基站需要通過波形賦束后，具備垂直方向覆蓋及水平方向覆蓋能力。MU-MIMO 主要應用場景的特征描述和潛在問題如表1 所示。

表1 MU-MIMO 主要應用場景特征描述和潛在問題

5G 大規(guī)模天線系統(tǒng)部署應用場景的主要目標是提高頻譜效率和傳輸可靠性。首先，MU-MIMO在實現(xiàn)有效覆蓋的基礎上，能夠顯著增強空間維度資源，使得多個用戶共享同一時頻資源；其次，MUMIMO 能夠通過多個天線來削弱多徑衰落對系統(tǒng)的影響；第三，隨著參與信號傳輸?shù)奶炀€數(shù)目的增多，MU-MIMO 能夠有效簡化多址連接的過程。但是，Massive MIMO 技術在原理上還有信道非互易性、導頻污染、非理想無線傳播條件及信道響應正交等問題需要進一步研究解決，[2－3]且MU-MIMO 在波束賦形、窄細化、空間分辨率等方面要求更高，特別是在“微微蜂窩”結構微覆蓋的情況下，天線采用多天線陣列組合時，在特定的覆蓋區(qū)域需要形成窄主波束，對于微波波段可能會產(chǎn)生大角域的旁瓣，而旁瓣會對主波束和相鄰基站形成較大干擾。本文就是充分考慮MU-MIMO 存在賦形旁瓣和殘留后瓣的情況，研究設計與應用柔性聚合物基材料吸波體，吸收天線主波束帶外干擾電磁波，以達到進一步抑制和削弱干擾的目的。

2 吸波材料的電物理特性

相對復磁導率和相對復介電常數(shù)都是表征吸波材料電磁特性的基本參數(shù)，是評價吸波材料優(yōu)劣的主要依據(jù)，對其物理意義的理解有助于掌握吸波材料的吸波機理，加強吸波材料的研究與改進。

(1)相對復磁導率

在靜磁場中大多數(shù)各向同性的磁介質(zhì)內(nèi)部任一點的磁化強度M和磁場強度H成正比，比值χm為定值，稱為磁化率，即M＝χmH。磁介質(zhì)中的磁感應強度B可以表示為B＝μ0(M＋H)＝μ0(1 ＋χm)H＝μ0μrH，式中μ0為真空磁導率，μr為相對磁導率。

當外加交變磁場時，其振幅為Hm，角頻率為ω，即H＝Hmcos(ωt)，相應磁感應強度B也呈周期性變化，但由于存在磁滯效應和自然共振等，B在時間上將落后于H一個相位差δ，即B＝Bmcos(ωt－δ)，式中Bm為振幅。為表示交變場中B和H的關系，引入復數(shù)磁導率μ，它反映B和H之間振幅和相位的關系，即μ＝μ′－jμ″，式中分析可知，均勻交變場中鐵磁體在單位時間單位體積內(nèi)的平均能量損耗為

磁介質(zhì)內(nèi)部儲存能量的密度為

由式(1)和式(2)可以看出，交變磁場中磁介質(zhì)儲存的能量密度與復磁導率的實部成正比，而能量的損耗則由相對復磁導率的虛部決定。

(2)相對復介電常數(shù)

在靜電場中，介質(zhì)在真空中的介電常數(shù)為ε0，相對介電常數(shù)為εr，則電位移D和外場強E的關系為D＝ε0εrE。在交變電場中，當外場頻率增加時，介質(zhì)的極化逐漸落后于外電場的變化。引入相對復介電常數(shù)ε，即ε＝ε′－jε″。式中實部表示電容儲能特性。虛部相當于在電容上并聯(lián)了一個等效電阻，標志電介質(zhì)損耗能量的能力。

(3)磁損耗角正切和電損耗角正切

磁損耗角正切用磁介質(zhì)磁導率的虛部與實部比值來描述，即

同樣，電損耗角正切定義為:

式(3)、式(4)表示若吸波材料的相對復磁導率的虛部μ″和相對復介電常數(shù)的虛部ε″越大，其吸波能力則越強。

3 國內(nèi)外吸波材料研究進展

為了對抗新型雷達技術的快速發(fā)展，很多空間飛行器的“隱身”要求越來越高，[4]特別是要求電磁波空間分布的電場強度更強，波長更長，在電磁兼容與屏蔽工程方面也越來越復雜。為了減少電磁波的反射和干擾，通常會采用吸波材料。[5]因此，國內(nèi)外對吸波材料的研究與應用方興未艾。

按照吸波材料的工作原理可分為相對復磁導率與相對復介電常數(shù)相等的吸波材料、四分之一波長“諧振”吸波材料、阻抗?jié)u變“寬頻”吸波材料、衰減表面電流的薄層吸波材料等基本類型。目前廣泛應用和進一步研究改進的吸波材料主要有以下幾種。

(1)鐵氧體吸波材料

鐵氧體吸波材料包括磁性氧化物和磁性陶瓷兩類，其相對磁導率及相對介電常數(shù)都呈現(xiàn)復數(shù)形式，因此，鐵氧體吸波體包含介電損耗和磁損耗，有較好的天然吸波特性。Sugimoto 等人研究發(fā)現(xiàn)，Ba-M 型鐵氧體中摻雜物Ti 和Mn 的含量，可以改變鐵氧體材料的磁晶各向異性場、飽和磁化強度及居里溫度，進而改變相應的自然共振頻率，最終改變μ″。這可使鐵氧體鐵磁共振頻率在3.85 GHz～60.18 GHz 之間發(fā)生變化，從而達到阻抗匹配，其吸波劑厚度小于4 mm 時，反射衰減可超過－20 dB。

(2)寬頻帶吸波材料

寬頻帶吸波材料為一種磁性吸收劑，如美國使用的席夫基鹽吸收劑，在受到雷達波照射時，分子結構中出現(xiàn)重新暫時排列的現(xiàn)象，進而吸收電磁波。

(3)納米吸波材料

當電磁波輻射到納米材料表面時，會產(chǎn)生小尺寸效應、量子效應、隧道效應、表面界面效應等現(xiàn)象，呈現(xiàn)界面極化、多重散射、電子能級分裂等電、磁、光、熱等奇異特性，通過加劇原子、電子運動，促使電磁能轉化為熱能，形成良好的吸波效果。納米吸波材料具有吸波頻帶寬、兼容性好、質(zhì)量輕、厚度薄等特點。目前國內(nèi)外主要有納米金屬與合金吸波材料、納米復合膜吸波材料、納米陶瓷吸波材料、納米氧化物吸波材料等。美國已研制出一種“超黑粉”的納米吸波材料，其微波吸收率高達99%。國內(nèi)彭偉才等人通過研究不同F(xiàn)e 納米線含量的隨機分布及Fe 納米線/絕緣體復合吸波材料在不同厚度下的反射率，得出體積分數(shù)為25%的復合吸波材料，其在9.7 GHz 時的反射衰減達－45 dB。鄧聯(lián)文采用霧化工藝和高能球磨技術制成納米晶Fe85Si1Al6Cr8扁平狀顆粒合金粉，其在4 GHz 附近的低頻微波波段具有很好的吸波性能。

(4)高分子吸波材料

高分子結構導電聚合物與無機磁損耗物質(zhì)或超微粒子復合，可形成低密度輕型寬帶微波吸收材料。此類吸波材料的吸波機理是利用某種具有共軛π電子的高分子聚合物的線形或平面形構型與高分子電荷轉移絡合物作用，設計其導電結構，實現(xiàn)阻抗匹配與電磁損耗。日本筑波大學百川英樹[8]早期進行了大量研究，導電高聚合物的吸波性能與其電磁參數(shù)，如介電常數(shù)、電導率等有關。電磁參量主要依賴于高聚物的主鏈結構、室溫導電率、摻雜劑性質(zhì)、微觀形貌、涂層厚度及結構等因素。這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、投資少、效益好等特點，目前在軍事上應用廣泛。

(5)結構吸波材料

結構吸波材料一般是將樹脂基體與吸波劑混合而成，然后通過碳纖維、玻璃纖維、芳綸等增強，制成層板型、蜂窩型、復合型三種應用形態(tài)。結構型吸波材料不僅具有良好的透波吸波性能，而且具有強度好、韌性強、質(zhì)量輕等顯著優(yōu)點，可廣泛應用在特殊場合。

(6)手性吸波材料

手性吸波材料是指與其鏡像不存在幾何對稱性，且不能通過任何方法使其與鏡像相重合的材料。手性吸波材料一般具有后向波傳播、負的折射率及反向多普勒效應[6]等特性，使輻射到手性吸波材料上的透射和反射波大為減少，而顯現(xiàn)出“吸波特性”。而新型手性吸波材料的使用形成了一種超透鏡的能力，能夠提供衍射極限之外的空間分辨率。Tao H 等人[1，7]利用改進的單元結構制備出了作用于太赫茲波段的吸波材料。Veselago[9]將坡印廷矢量的方向作電場和磁場方向的函數(shù)進行手性材料研究，定義了所謂“左手材料”。

在經(jīng)典電磁場理論中，正弦時變電磁場的波動方程(Helmholtz 方程)為:

式中:k×E＝ωμH，k×H＝－ωμE，k·E＝0，k·H＝0。

介電常數(shù)ε和磁導率μ是描述介質(zhì)電磁性質(zhì)的主要參數(shù)。E、H、k之間滿足右手螺旋關系，通常的介質(zhì)被稱為“右手材料”。

天然的介質(zhì)μ和ε的大小是相對電磁波頻率而言的，通常為使電磁波能夠正常傳播，采用無損耗、各向同性、空間均勻的介質(zhì)，方程(5)有波動解，進一步由麥克斯韋方程組推出波數(shù):

如果以乙炔、鎳板和三氯化磷為原料通過一定工藝制作成螺旋炭纖維手性吸波材料，使得“手性材料”的μ和ε兩者一個為正數(shù)，而另一個為負數(shù)，即k2<0，k無實數(shù)解，則方程(5)無波動解，電磁波不能在其中傳播，這就形成了吸波效應。

4 本設計的主要內(nèi)容

本研究中的吸波層是在研究手性材料工作基礎上建立的，采用介質(zhì)基為甲基硅橡膠顆粒。甲基硅橡膠無毒無害、彈性伸縮大、耐熱耐寒，在300 ℃～－90 ℃時，可保持原有物理特性不變，具有良好的電絕緣和耐氧化、耐光、抗老化特性，非常適合5G 天線在惡劣自然環(huán)境中使用。吸收層為聚合物基復合層，其結構和坐標系設置如圖1 所示。復合吸波材料的吸波能力是每一個吸波劑顆粒對電磁衰減的總和。

圖1 聚合物基復合吸波材料結構及電磁波入射示意圖

(1)研究方法

本研究通過調(diào)整甲基硅橡膠顆粒的濃度，研究復合基對微波的吸波效能；另一方，通過調(diào)整甲基硅橡膠基復合吸波材料的介質(zhì)基板厚度、形狀、尺寸及天線金屬面板介電常數(shù)，尋找最大吸波能量頻率點。基于聚合物基吸波材料的電磁諧振特性，首先設計微帶式單元吸波體，然后在鐵氧體基板形成周期性排列。通過基于有限元法的微波電磁仿真軟件(CST)進行全波仿真，對TE 和TM 極化波在不同入射角下的吸波率曲線進行分析。

(2)設計原理

聚合物基吸波材料設計運用等效媒質(zhì)理論，若用A表示吸波器的吸收率，則:

式中:R(ω)＝｜S11｜2，T(ω)＝｜S21｜2分別表示反射率和透射率。由于吸波器的背板是金屬結構，厚度較厚，超過微波趨膚效應深度，可用鐵氧體作“襯板”，故透射率表示為S21→0，因此，式(7)簡化成:

通過合理選擇甲基硅橡膠顆粒的形狀、濃度，設計介質(zhì)基板厚度、形狀、尺寸及天線金屬面板介電常數(shù)，理論上可以得到任意數(shù)值的介電常數(shù)ε和磁導率μ，使反射率和透射率降到最低。

5 結構設計技術路線與方案

(1)技術路線

對某一吸波頻率，由于吸波體介質(zhì)層的多普勒效應，其表面與界面效應等的能量損耗使電磁特性發(fā)生了“吸波現(xiàn)象”。5G 陣列天線可采用底層連續(xù)的鐵氧體金屬板，可保證透射為0。設η0為自由空間波阻抗，吸波體的等效阻抗為ZMA(ω)，則有:

從式(9)中可以看出，當ZMA＝η0時，R＝0，A＝1，即實現(xiàn)了吸波體對電磁波的“完美”吸收。此外，超材料結構具有亞波長特性，因而可以用等效媒質(zhì)理論對其進行分析。當吸波體的等效相對介電常數(shù)ε(ω)和等效相對磁導率μ(ω)滿足ε(ω)＝μ(ω)時，ZMA＝η0。而等效媒質(zhì)參數(shù)由吸波體的物理參數(shù)唯一決定，因此通過單元結構的優(yōu)化，即可實現(xiàn)對入射電磁波的超強吸收。[8－9]

(2)結構設計

根據(jù)美國Landy N I 教授[10]對微波段超材料吸波器的設計思路，本研究運用甲基硅橡膠作為聚合物基復合吸波材料，單元設計為圓環(huán)和方形外環(huán)形狀，根據(jù)集成天線的實際面積，需要重復排列，從而形成雙頻諧振吸波體，其單元結構如圖2 所示。其中R1為內(nèi)圓環(huán)半徑，C為正方形外環(huán)邊長。為保證能量消耗，應使金屬面板有效接地。吸波體單元結構為縱向加橫向周期性重復排列，形成整體吸波體結構。

圖2 雙頻吸波體單元結構

6 實驗測量裝置與仿真分析

(1)實驗裝置

波導實驗裝置如圖3 所示，其中1 是AV3618矢量網(wǎng)絡分析儀，2 是同軸電纜，3 是矩形波導，4 是測試樣品。矩形波導的橫截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm。運用矩形波導法，通過AV3618 一體化矢量網(wǎng)絡分析儀分別測量設計樣品在5G 微波段的電磁響應行為(S參數(shù))。待測樣品放置在波導中央，此時電磁波矢量k平行于待測樣品入射，即沿x軸方向入射，電場E平行于y軸方向，磁場H平行于z軸方向。

圖3 波導實驗裝置示意圖

若電磁波入射方向與吸波體表面垂直，極化方向默認為Y 極化，低頻段微波輸入頻率為1 GHz～6 GHz，測得歸一化反射系數(shù)對應值如圖4 所示。由圖4 可知，整個頻段范圍內(nèi)都有一定反射衰減，其中，反射較小的有兩個諧振頻率點，如當圓環(huán)半徑R2為5.5 mm，正方形外環(huán)邊長C為20 mm 時，諧振點則出現(xiàn)在f1＝3.49 GHz、f2＝4.85 GHz，在頻點2.5 GHz 處反射衰減顯著增大。改變R2和C的尺寸可使諧振頻點發(fā)生移動，這樣可以尋找最大吸波頻點。

圖4 電磁波歸一化反射特性曲線

(2)仿真結果分析

采用基于有限元法的高頻電磁仿真軟件CST 進行全波仿真，能有效仿真TE 和TM 極化波在以不同入射角進入二維周期性吸波體結構時的情況，[10－12]求解傳輸系數(shù)和反射系數(shù)，并以S參數(shù)形式顯示。在打開的CST 仿真軟件界面中選擇新建工程，點擊Home 中的Units，設置單位、頻率和時間，頻率范圍設定為1 GHz～6 GHz，在Modeling 中畫出圖2 所示吸波體單元結構尺寸圖形，然后再點擊Simulation 按鈕，對頻率、背景、邊界條件等進行設定。在Home 解析器中，選擇頻率解析，以S參數(shù)求出吸波器的反射率R、透射率T和吸收率A之間的關系為:

圖5 所示為實際仿真測得的電磁波垂直入射吸波單元時的反射率、透射率和吸收率曲線。

圖5 電磁波垂直入射時反射率、透射率和吸收率曲線

從圖5 可以看出，由于介質(zhì)底層采用了接地金屬板和鐵氧體“襯板”，進一步加大了電波損耗，故透射率在全頻帶幾乎為0，當中心頻率為3.49 GHz和4.85 GHz 時，入射波吸收率達到90%以上，相對帶寬約為30%，符合目前運營商在5G 中、高頻段的中心頻率，對5G 大規(guī)模陣列天線的旁瓣干擾電磁波吸收效果顯著。

7 結束語

5G 網(wǎng)絡建設正在如火如荼進行，其基站端超大規(guī)模天線陣列(MU-MIMO)的應用和微蜂窩覆蓋的要求，使真正實現(xiàn)良好無縫覆蓋的目標還有諸多工作要做。本研究中采用聚合物甲基硅橡膠顆粒柔性超材料吸波體來吸收天線旁瓣及副瓣電磁能量，以減少干擾，具有十分重要的現(xiàn)實意義。這是因為，隨著超大規(guī)模天線陣列的應用和天線靈敏度的提高，天線帶外輻射干擾顯著增強。通過對介質(zhì)特性和設計尺寸之間關聯(lián)性的研究，進一步探索了超表面的性能與表面單元之間的聯(lián)系，提高了雙頻帶吸收體的性能，當使用本吸波體貼于陣列天線背面時，可有效降低射頻帶外輻射干擾，具有一定的實用價值。未來，隨著5G 大規(guī)模網(wǎng)絡覆蓋，需進一步實施“空分復用”，增強天線波束賦形性能，可以采用多層吸波材料的設計方案，即設計透波層、過渡吸收層、強磁損耗層，通過不同吸波層差異特性設計，達到改善吸波效果和展寬頻帶的目的。