大數(shù)據(jù)5G通信面臨的電磁兼容挑戰(zhàn)及解決方法是什么

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1、背景

目前，國際上對于5G移動通信的需求已經(jīng)迫在眉睫。按照通信行業(yè)的預(yù)期，5G應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實(shí)現(xiàn)1 Gb/s。這就意味著用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅需要10秒！

由香農(nóng)公式可知，增加頻譜的帶寬可增加無線傳輸速率。但5GHz以下的通信頻段已經(jīng)非常擁擠，因此毫米波技術(shù)就成為了5G通訊的關(guān)鍵。隨著通信頻率的提高，5G通信面臨的電磁兼容挑戰(zhàn)也應(yīng)運(yùn)而生。 

2、5G通信面臨的EMC問題和挑戰(zhàn)

（1）天線與空間電磁波之間的EMC干擾

空間中存在著不同形式的電磁波，5G基站系統(tǒng)可能會與其他設(shè)備產(chǎn)生同頻干擾、鄰頻干擾和減敏干擾。

傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，通常用到介質(zhì)濾波器和SAW（Surface Acoustic Wave，聲表面波）濾波器。介質(zhì)濾波器雖然有較好的性能，但體積大，不便于用到便攜式設(shè)備中。SAW濾波器適用于1.5 GHz以下，但工作頻率超過1.5 GHz時，SAW的Q值開始下降，到2.5 GHz時，SAW的選擇性已經(jīng)只能用在一些要求比較低的場合。所以，3.5 GHz頻段的移動通信系統(tǒng)采用基于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。因此，需要尋找新的方案解決5G通信天線系統(tǒng)與空間電磁波之間的EMC干擾。

（2）天線不同單元之間的互擾

5G通信中采用的MIMO技術(shù)使得5G天線的單元個數(shù)大大增加，在緊湊的大規(guī)模陣列天線中，存在不同單元之間的互擾。舉例來說，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(jìn)而破壞原有天線的端口隔離度等性能。

一般來說，可通過在單元間引入電磁帶隙、缺陷地等濾波結(jié)構(gòu)來降低單元間的干擾。然而，在5G通信系統(tǒng)中，往往會用到大規(guī)模的天線陣列。若在每兩個天線單元間均采用濾波結(jié)構(gòu)隔離，那么通信系統(tǒng)的整體尺寸將會十分龐大。如何在保證體積滿足要求的同時，減小大規(guī)模天線陣列單元之間的互擾成為了新的挑戰(zhàn)。 

（3）板級EMC問題

5G通信還將面臨許多板級EMC挑戰(zhàn)，如天線與PCB集成的EMC問題。隨著天線尺寸的減小，針對5G天線和PCB的協(xié)同設(shè)計，如振子的反射面和散熱器的散熱齒結(jié)合，同間隙波導(dǎo)的概念類似，屬于天線設(shè)計、散熱、EMC的交叉地帶，需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(yè)軟件在支持多物理場方面還不太成熟。

3、人工電磁表面可以解決5G通信中的EMC問題

近年來，迅猛發(fā)展的新一代人工電磁媒介，如光子晶體、超材料等，為電磁波的調(diào)控提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。通過改變?nèi)斯る姶琶浇榈南嚓P(guān)拓?fù)?，能夠調(diào)控其對于外來電磁波的響應(yīng)，從而達(dá)到自然界中的材料所不能實(shí)現(xiàn)的屬性，如負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率等。基于這種新型的電磁調(diào)控方式，各國學(xué)者已做了大量的仿真、理論和實(shí)測工作，設(shè)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(diào)控器件，為人工電磁調(diào)控開拓了新的方向。但人工電磁媒介本質(zhì)上是一種三維形式的結(jié)構(gòu)，存在著造價昂貴、剖面高、物理空間大等問題，極大地制約了相關(guān)器件在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

為此，人工電磁表面的出現(xiàn)成為近年來電磁領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。人工電磁表面也可以視為人工電磁媒介的一種，但卻是其二維表現(xiàn)形式。新型的人工電磁表面不僅具有較強(qiáng)的空間電磁調(diào)控能力，更兼有體型薄、插損小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在諸如天線RCS縮減，雷達(dá)隱身等實(shí)際工程領(lǐng)域都具備廣泛的應(yīng)用價值。

作為一種典型的人工電磁表面，頻率選擇表面已越來越多地出現(xiàn)在電磁相關(guān)領(lǐng)域,其工藝成熟、剖面低、成本廉價，可直接與通信系統(tǒng)形成一體化結(jié)構(gòu)，如微波器件的屏蔽、隱身雷達(dá)罩，以及民用天線罩等等。頻率選擇表面獨(dú)特的濾波特性和潛在的隱身功能，可以為5G通信天線系統(tǒng)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(hù)天線乃至整個微波系統(tǒng)免受環(huán)境影響的外殼。人工電磁結(jié)構(gòu)中涉及的電磁場控制理論為設(shè)計新型的天線罩提供了理論基礎(chǔ)，通過合理調(diào)整基于頻率選擇結(jié)構(gòu)的天線罩拓?fù)?，有望將系統(tǒng)性能的不良影響降至最低的同時，提高系統(tǒng)的通帶插損及帶外抑制能力，降低來自工作頻帶外的雜散信號干擾。

4、5G通信天線罩的EMC應(yīng)用實(shí)例

目前國際上對于5G通信頻段標(biāo)準(zhǔn)不一。針對其中28 GHz頻段處的通訊指標(biāo)，本文介紹一款可應(yīng)用于實(shí)際場景中的天線罩結(jié)構(gòu)，如下圖所示。該頻率選擇結(jié)構(gòu)由三層金屬層組成，上下兩層為相同的金屬貼片層，中間層為刻有4個中心對稱排列的Z字形縫隙的金屬層。為了使通帶與阻帶的下降沿變得更為陡峭，在中間層還引入了一個方環(huán)型的縫隙結(jié)構(gòu)，用以在通帶外引入一個額外的傳輸零點(diǎn)。借助全波軟件仿真，可以使該天線罩-3 dB帶寬為20.07%，覆蓋24.72~30.24 GHz，通帶插入損耗小于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(jié)構(gòu)，整體尺寸為248 mm×248 mm。通過自由空間測試方法，可以獲得該天線罩的頻率響應(yīng)。為了消除環(huán)境電磁干擾，整個測試過程在微波暗室中進(jìn)行。

從下圖中的測試結(jié)果可知，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一個32.30~33.75 GHz的阻帶，阻帶的抑制深度可以達(dá)到25 dB，可以極大抑制該頻段處的雜散信號干擾。

對于傾斜角入射的電磁波而言，其頻率響應(yīng)結(jié)果下圖所示，可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)對于入射角度0~40度變化時并不敏感。其主要原因是引入了一些小型化的Z字型縫隙結(jié)構(gòu)以及利用多層耦合結(jié)構(gòu)減少了其厚度。此外，由于結(jié)構(gòu)的高度對稱性，它對于TE和TM兩種極化的電磁波均不敏感。因此，該結(jié)構(gòu)對于不同角度、不同極化的EMI干擾信號都具有抑制作用。

對于此結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，可以利用二點(diǎn)五維拓?fù)涞念l率選擇結(jié)構(gòu)來延長周期內(nèi)表面電流的流經(jīng)長度，使得入射角度大于40度時，單元周期間的相位差減小，從而提高角度穩(wěn)定性。由此可見，加裝此類周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。

通信頻率不斷升高，天線以及封裝的尺寸將越來越??；通信芯片速率不斷上升，傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)在高頻處會出現(xiàn)輻射超標(biāo)。下一步可探索天線封裝一體化設(shè)計的封裝天線及新型的封裝結(jié)構(gòu)。

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