淺談5G通訊面臨的電磁兼容挑戰及解決方法

一、背景

目前，國際上對於5G移動通訊的需求已經迫在眉睫。按照通訊行業的預期，5G應當實現比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實現1 Gb/s。這就意味着用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅須要10秒！

由香農公式可知，增長頻譜的帶寬可增長無線傳輸速率。但5GHz如下的通訊頻段已經很是擁擠，所以毫米波技術就成爲了5G通信的關鍵。隨着通訊頻率的提升，5G通訊面臨的電磁兼容挑戰也應運而生。

 

 

二、5G通訊面臨的EMC問題和挑戰

（1）天線與空間電磁波之間的EMC干擾

空間中存在着不一樣形式的電磁波，5G基站系統可能會與其餘設備產生同頻干擾、鄰頻干擾和減敏干擾。

傳統的無線通訊系統中，一般用到介質濾波器和SAW（Surface Acoustic Wave，聲表面波）濾波器。介質濾波器雖然有較好的性能，但體積大，不便於用到便攜式設備中。SAW濾波器適用於1.5 GHz如下，但工做頻率超過1.5 GHz時，SAW的Q值開始降低，到2.5 GHz時，SAW的選擇性已經只能用在一些要求比較低的場合。因此，3.5 GHz頻段的移動通訊系統採用基於CMOS工藝的BAW（Bulk Acoustic Wave, 體聲波）濾波器，而BAW濾波器抑制帶外雜散的能力相對較弱。所以，須要尋找新的方案解決5G通訊天線系統與空間電磁波之間的EMC干擾。

（2）天線不一樣單元之間的互擾

5G通訊中採用的MIMO技術使得5G天線的單元個數大大增長，在緊湊的大規模陣列天線中，存在不一樣單元之間的互擾。舉例來講，一個陣列天線單元的部分輻射會被其相鄰單元所接收，耦合至相鄰單元的端口，進而破壞原有天線的端口隔離度等性能。

通常來講，可經過在單元間引入電磁帶隙、缺陷地等濾波結構來下降單元間的干擾。然而，在5G通訊系統中，每每會用到大規模的天線陣列。若在每兩個天線單元間均採用濾波結構隔離，那麼通訊系統的總體尺寸將會十分龐大。如何在保證體積知足要求的同時，減少大規模天線陣列單元之間的互擾成爲了新的挑戰。

 

（3）板級EMC問題

5G通訊還將面臨許多板級EMC挑戰，如天線與PCB集成的EMC問題。隨着天線尺寸的減少，針對5G天線和PCB的協同設計，如振子的反射面和散熱器的散熱齒結合，同間隙波導的概念相似，屬於天線設計、散熱、EMC的交叉地帶，須要考慮電磁與熱等多物理場的建模與仿真。然而，目前的商業軟件在支持多物理場方面還不太成熟。

三、人工電磁表面能夠解決5G通訊中的EMC問題

近年來，迅猛發展的新一代人工電磁媒介，如光子晶體、超材料等，爲電磁波的調控提供了強有力的理論基礎。經過改變人工電磁媒介的相關拓撲，可以調控其對於外來電磁波的響應，從而達到天然界中的材料所不能實現的屬性，如負介電常數、負磁導率等。基於這種新型的電磁調控方式，各國學者已作了大量的仿真、理論和實測工做，設計了諸如完美透鏡、電磁集中器、隱身大衣等新一代人工電磁調控器件，爲人工電磁調控開拓了新的方向。但人工電磁媒介本質上是一種三維形式的結構，存在着造價昂貴、剖面高、物理空間大等問題，極大地制約了相關器件在實際工程中的應用。

爲此，人工電磁表面的出現成爲近年來電磁領域研究的熱點。人工電磁表面也能夠視爲人工電磁媒介的一種，但倒是其二維表現形式。新型的人工電磁表面不只具備較強的空間電磁調控能力，更兼有體型薄、插損小等諸多優勢，在諸如天線RCS縮減，雷達隱身等實際工程領域都具有普遍的應用價值。

做爲一種典型的人工電磁表面，頻率選擇表面已愈來愈多地出如今電磁相關領域,其工藝成熟、剖面低、成本廉價，可直接與通訊系統造成一體化結構，如微波器件的屏蔽、隱身雷達罩，以及民用天線罩等等。頻率選擇表面獨特的濾波特性和潛在的隱身功能，能夠爲5G通訊天線系統中存在的電磁兼容問題提供可行的解決方案。

天線罩是用來保護天線乃至整個微波系統免受環境影響的外殼。人工電磁結構中涉及的電磁場控制理論爲設計新型的天線罩提供了理論基礎，經過合理調整基於頻率選擇結構的天線罩拓撲，有望將系統性能的不良影響降至最低的同時，提升系統的通帶插損及帶外抑制能力，下降來自工做頻帶外的雜散信號干擾。

四、5G通訊天線罩的EMC應用實例

目前國際上對於5G通訊頻段標準不一。針對其中28 GHz頻段處的通信指標，本文介紹一款可應用於實際場景中的天線罩結構，以下圖所示。該頻率選擇結構由三層金屬層組成，上下兩層爲相同的金屬貼片層，中間層爲刻有4箇中心對稱排列的Z字形縫隙的金屬層。爲了使通帶與阻帶的降低沿變得更爲陡峭，在中間層還引入了一個方環型的縫隙結構，用以在通帶外引入一個額外的傳輸零點。藉助全波軟件仿真，可使該天線罩-3 dB帶寬爲20.07%，覆蓋24.72~30.24 GHz，通帶插入損耗小於0.15 dB，帶寬和插入損耗均符合28 GHz通帶的要求。

 

加工樣品包含40×40個單元結構，總體尺寸爲248 mm×248 mm。經過自由空間測試方法，能夠得到該天線罩的頻率響應。爲了消除環境電磁干擾，整個測試過程在微波暗室中進行。

從下圖中的測試結果可知，所設計的結構能夠產生一個32.30~33.75 GHz的阻帶，阻帶的抑制深度能夠達到25 dB，能夠極大抑制該頻段處的雜散信號干擾。

對於傾斜角入射的電磁波而言，其頻率響應結果下圖所示，能夠發現，所設計的結構對於入射角度0~40度變化時並不敏感。其主要緣由是引入了一些小型化的Z字型縫隙結構以及利用多層耦合結構減小了其厚度。此外，因爲結構的高度對稱性，它對於TE和TM兩種極化的電磁波均不敏感。所以，該結構對於不一樣角度、不一樣極化的EMI干擾信號都具備抑制做用。

對於此結構的改進方案，能夠利用二點五維拓撲的頻率選擇結構來延長週期內表面電流的流經長度，使得入射角度大於40度時，單元週期間的相位差減少，從而提升角度穩定性。因而可知，加裝此類週期性頻率選擇天線罩，是一種能有效抑制5G天線與空間電磁間EMC干擾的方案。

 

六、結語

通訊頻率不斷升高，天線以及封裝的尺寸將愈來愈小；通訊芯片速率不斷上升，傳統的封裝結構在高頻處會出現輻射超標。下一步可探索天線封裝一體化設計的封裝天線及新型的封裝結構。