詳解5G新體制天線技術

本文通過對現今5G技術的發(fā)展趨勢和發(fā)展瓶頸進行分析，提煉出了在5G MIMO天線技術中最為重要的耦合減小技術。分別介紹了兩大類新體制天線技術，包括：基于耦合諧振器去耦網絡的緊耦合終端天線；基于超材料（超表面）的MIMO，Massive MIMO天線陣耦合減小及性能提升技術。通過無源參數，有源參數和MIMO參數的測試和評估，證實了這兩類新體制天線在5G中的明顯優(yōu)勢和廣闊應用場景。

1技術背景與研究意義

以信息技術為代表的新一輪科技和產業(yè)變革，正在逐步孕育升級。在視頻流量激增，用戶設備增長和新型應用普及的態(tài)勢下，迫切需要第五代移動通訊系統（5G）的技術快速成熟與應用，包括移動通信，Wi-Fi，高速無線數傳無一例外的需要相比現在更快的傳輸速率，更低的傳輸延時以及更高的可靠性。為了滿足移動通信的對高數據速率的需求，一是需要引入新技術提高頻譜效率和能量利用效率，二是需要拓展新的頻譜資源[1]。

在此背景下，大規(guī)模多輸入多輸出技術 （Massive MIMO）已經不可逆轉的成為下一代移動通信系統的中提升頻譜效率的核心技術[2]。多輸入輸出技術(MIMO) 可以有效利用在收發(fā)系統之間的多個天線之間存在的多個空間信道，傳輸多路相互正交的數據流，從而在不增加通信帶寬的基礎上提高數據吞吐率以及通信的穩(wěn)定性[3]。而Massive MIMO技術在此基礎之上更進一步，在有限的時間和頻率資源基礎上，采用上百個天線單元同時服務多達幾十個的移動終端(詳見圖1)，更進一步提高了數據吞吐率和能量的使用效率[2]。

圖1、一個典型的大規(guī)模多輸入多輸出陣列系統

除了Massive MIMO的應用，5G另外一個關鍵技術就是高頻段（毫米波）傳輸。傳統移動通信系統，包括3G，4G移動通信系統，其工作頻率主要集中在3GHz以下，頻譜資源已經異常擁擠。而工作在高頻段的通信系統，其可用的頻譜資源非常豐富，更有可能占用更寬的連續(xù)頻帶進行通信，從而滿足5G對信道容量和傳輸速率等方面的需求[1],?[4]。因此，在2015年11月，世界無線電通信大會WRC-15，除了確定了470~694/698 MHz、1427~1518 MHz、3300~3700 MHz、以及4800~4990 MHz作為5G部署的重要頻率之外，又提出了對24.25~86GHz內的若干頻段進行研究，以便確定未來5G發(fā)展所需要的頻段[1],?[5]。

但毫米波移動通信也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點。因此，高增益、有自適應波束形成和波束控制能力的天線陣列，自然成為5G在毫米波段應用的關鍵技術[6]。

然而，考慮到上述系統、天線陣的實際應用場景和應用環(huán)境，帶有Massive MIMO天線陣的5G基站建站時，由于實際空間受限，天線陣的體積不能很大。天線陣物理尺寸受限的情況下，多個天線單元之間的互相耦合、干擾，必然會造成天線性能的下降，主要表現在以下幾個方面：

（1）造成天線副瓣較高[7]，對陣列的波束掃描能力有較大的影響[8]；
（2）由于天線單元之間互相的干擾，造成信噪比變差，進而直接影響數據吞吐率；
（3）使得能夠有效輻射的能量減少，造成天線陣增益降低，能量利用效率低下[8],[9]。

綜上所述，在5G適用的低頻段和高頻段，迫切需要尋找一種行之有效的改善空間受限的Massive MIMO天線陣列的性能的理論和設計方法，能夠即縮小天線陣體積，又保持原有的天線陣性能。

在5G Massive MIMO的天線設計和小型化方面，目前公開發(fā)表的文獻比較少，典型的代表包括，新加坡國立大學陳志寧教授團隊和東南大學洪偉教授團隊的基于超材料的平面透鏡天線陣[10]，以及加拿大康考迪亞大學一些學者提出的同樣含有超材料透鏡的、用縫隙波導饋電的天線陣[11]。在5G頻段，Massive MIMO天線陣依然存在著大量的仍待解決的問題，如小型化設計，性能改善，新工藝的實現等等。在我國開展5G技術試驗的關鍵階段，進一步推動Massive MIMO天線陣的設計理論研究，性能改善方法研究，對于5G技術的快速成熟和使用，具有著重要而又深遠的意義。

2耦合諧振器去耦網絡