5G MIMO共形微带天线设计外文翻译资料

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5G MIMO共形微带天线设计

王倩¹宁沐¹王玲丽¹Safieddin Safavi-Naeini²和刘敬平¹

¹南京理工大学电子与光学工程学院，江苏南京210094

²加拿大安大略省滑铁卢市滑铁卢大学电子与计算机工程系N2L 3G1

信件应该寄给刘敬平; liujingpin2002@aliyun.com

2017年6月14日收到; 2017年10月29日修订; 2017年11月23日接受; 2017年12月17日发布

学术编辑：Pai-Yen Chen

版权copy;2017 Qian Wang et al。 这是一个开放获取的文章，根据知识共享署名许可证分发，允许在任何媒体上无限制地使用，分发和复制，前提是原创作品被正确引用。

摘要:随着无线通信技术的发展，5G将发展成为新一代的无线移动通信系统。MIMO（多输入多输出）技术有望成为5G无线通信领域的关键技术之一。 本文设计了4对35GHz的微带MIMO共形天线。串联馈电的八单元微带泰勒天线阵列不仅实现了图形主瓣的偏差，而且增加了天线阵列的带宽并减少了旁瓣。MIMO天线已经制造和测量。测量结果很好地匹配了模拟结果。天线在35GHz时的回波损耗优于20dB,第一旁瓣电平是-16dB,主瓣与阵列平面之间的夹角是60°。

一、介绍

多输入多输出（MIMO）技术起源于无线通信天线分集技术和智能天线技术。它是多输入单输出（MISO）和单输入多输出（SIMO）的组合，因此具有两者的优点和特点^[1,2]。MIMO系统在发射机和接收机上配备了多个天线。它可以在不增加带宽和发射功率的情况下提高无线通信质量和数据速率^[3,4] 。多天线系统是MIMO技术的重要组成部分。MIMO无线系统不仅受到无线通信信道的多径特性的影响，而且还取决于多天线系统的设计和布局。MIMO多天线设计的研究主要包括天线单元的形式，多天线的布局以及互耦分析。目前，MIMO多天线的研究主要集中在天线的布局、低成本和高性能设计上^[5,6]。

天线通常放置在载体表面以达到所需的电磁性能。为此，设计了共形天线^[7,8]。 共形天线可以设计在载体的表面上不会损坏载体的机械结构，并且可以节省空间^[9-11]。 它可以放置在载体表面的任何地方。共形天线通常是微带天线，带状线天线或裂缝天线。 微带天线具有体积小，重量轻，便于与其他载波集成等诸多优点。 因此它更适用于共形天线^[12,13]。 另外，由于5G技术的出现及其固有特性，例如短波长，宽频带等特点和雾，毫米波波段已经引起了很多关注^[14-16]。 因此，对毫米波微带天线进行了广泛的研究。

本文介绍了5G的MIMO共形天线的设计。 频率为35GHz，运用的载体是圆柱体，并且他的主瓣与载体轴之间的角度是60°。天线的旁瓣特性显然会干扰系统的和抑制杂波。本文设计的天线要求第一个旁瓣电平为18 dB。鉴于这一特点，设计了具有泰勒分布的馈电驻波天线阵列。考虑到耦合的影响，设计了4对天线。这项研究的结果非常适合在5G MIMO通信中。

二、5G MIMO共形天线设计

2.1辐射元素设计

MIMO共形天线设计的第一部分是辐射元件。该设计使用微带贴片天线作为辐射元件。矩形微带天线设计中有两个主要步骤。 第一步是理论分析，第二步是模拟和优化。

首先，我们选择电介质基板。 对于微带线圈，在毫米波段，微带损耗非常大。 损耗可分为介质损耗，导体损耗和辐射损耗^[17]。 通常选择具有低损耗正切介质的基板以降低介电损耗。 当介电常数低时，微带的总损耗不会随着特性而改变阻抗。 相反，当基板具有高介电常数时，微带线的损耗将随着特征阻抗而快速变化。 较厚的基板会增加辐射损耗。 较小的基板在减少辐射损失方面更有效 ,另外，具有良好柔韧性的较薄基板对于共形天线是很好的^[18]。考虑到这些因素，我们使用RT/DUROID5880（＝2.2，＝0.0009）作为基板，介电基片的高度为0.5 mm。

接着，确定贴片元件的宽度。微带天线指向性因子，辐射电阻，其他特性也会随着贴片的宽度变化而变化。这些特性直接影响频带宽度。以及天线的辐射效率。为了得到期望的频带宽度和辐射效率。宽度的大小应符合下列要求^[18]：

(1)

其中是光速，是谐振频率，在这种设计是35GHz中。

下一步是确定贴片的长度因素。单位长度的大小由有效介电常数和工作频率决定。基板的有效介电常数定义为，这是由以下^[18]给出的：

（2）

矩形微带贴片天线L的长度大约等于，由下面的^[18]给出：

（3）

从（1）-（3），被选择为3.38mm，是2.8mm。

矩形馈电微带贴片有三种主要方法。微带线馈电通常用于阵列元件的设计，同轴馈电通常用于单一微带天线，电磁耦合馈电通常用于双结构微带天线^[18]。此处设计的微带贴片元件是天线阵列中的辐射元件，因此选择微带作为馈电。

在图1中显示出了矩形微带天线单元。在仿真过程中调整和。的大小主要影响谐振频率，大小主要影响阻抗匹配。通过仿真和优化，得到了= 3.32毫米和=2.45毫米，馈线宽度＝0.46毫米。

图1：矩形微带贴片天线模型

所有的仿真都是用HFSS进行的。图2为矩形微带贴片天线的S参数。从图中可以看出，回波损耗有在35GHz时达到49dB。dB的相对带宽从图中可以发现为6.6%。

图2：矩形微带贴片天线的参数

在该设计中，微带线的线宽为0.46 mm，特征阻抗为50Omega;。因此，贴片元件的输入阻抗需要接近50Omega;。图3是矩形的输入阻抗微带贴片天线，从图中可知输入阻抗约为50.34Omega;，这与微带线的特性阻抗。

图3：矩形微带贴片的输入阻抗天线

图4是矩形微带贴片的增益天线，表明贴片的最大增益为7.93 dB，E平面3 dB波瓣宽度为76°和H平面的3 dB波瓣宽度为73°。贴片的形态与理论和主瓣宽度一致，E平面稍大于H平面。

图4：矩形微带贴片天线的增益

微带天线的频带宽度对整个系统来说是不够的。因此，在下面，我们将分析阵列天线频率带宽来满足要求。

2.2串联馈电阵列的理论分析

MIMO共形天线设计的第二部分是微带串联馈电阵列。为了获得高增益，低旁瓣，主束扫描和主束控制，我们需要使用离散辐射元件根据适当的激励形成阵列距离。在本文中，对微带线的要求阵列的主瓣和平面不小于10％（ dB），第一个旁瓣电平约为18dB。微带的设计分为三个步骤。 第一步是选择线性阵列的馈源方法，第二步是实现主瓣偏移，第三步是降低第一副瓣电平。

对于天线阵列，馈电方式可以由平行馈电和串联馈电或其组合来形成^[18,19]。 在本文中，我们使用串行馈送，如图所示5. 辐射元件通过微带线连接，并且端部是开路的。 第一辐射元件由同轴线馈送。为了避免微带对天线辐射的影响，有必要使其尽可能薄。

第二步是实现主体的偏移，天线方向图的波瓣。通常有一系列的FED行波阵和串联馈电驻波阵。对于串联馈电行波阵，可调整辐射元件以实现偏移主瓣。然而，在驻波阵的设计中采用串联馈电，只要输入阻抗为最后一个阵列的辐射元件被设计为一致的。利用微带线的特性阻抗，它也可以发挥阻抗匹配的作用，实现效果行波阵。这种设计采用了一系列的立场。波形阵列，如图5所示。这种阵列的优点它不需要增加终端负载。在辐射元件的设计，输入阻抗辐射元件的设计接近于特性微带的阻抗，因此，辐射元件可以看作是匹配负载，我们可以改变相位，元素之间的距离调整它们之间波束方向并实现主瓣的效果^[20]。

图5：与细线连接的辐射元件实现主瓣

对于串联馈电行波阵列的设计，假设从端部方向的主瓣角是，主瓣方向角与主瓣角的关系辐射元件间距如下：

（4）

辐射元件之间的距离是介质中的有效波长。当，主瓣偏置馈送；否则，它偏置负载。元素间距是影响材料性能的一个重要参数。为了避免光栅瓣，辐射元件间距需要满足以下公式：

（5）

公式（4）和（5）是行波。在本文中，驻波阵的设计也可以使用这两个公式。辐射元件之间的距离由上述两个公式得到的驻波阵为4.41毫米。

第三步是降低旁瓣电平。天线设计基于8元线性阵列。因为需要实现主瓣偏差，距离和辐射元素是一致的。旁瓣幅度可以通过控制电流来改变。电流幅值基于泰勒分布的分布设计^[21,22]。在泰勒的综合设计中，R是决定主瓣电平与旁瓣电平的大小。值由计算。选择合适的（增加的值，降低的值或者叶宽变窄）值，不应该太大，否则，电流的幅值分布将会发生巨大的变化。选择后，波束展宽每个辐射的因子和电流幅值分布可以计算元素。主瓣电平与旁瓣电平R＝18dB，＝4。归一化电流所有级别的值如表1所示。

表1 八元素泰勒阵列的归一化电流值

改变电流幅值有两种方法，第一个是阻抗变压器，二是增大其宽度分布方法。由于辐射元件相对较小的间距，段不能增加，所以用贴片宽度分布方法来改变电流幅值分布。事实上，电流幅度分布的变化可以通过改变元件的辐射导纳来实现。首先，八个元素的S₂₁泰勒阵列在各级应该根据电流分布计算。因此，根据对称性，只有一半的阵列。需要计算S₂₁的地方。计算出的结果如表2所示。根据这些值，每个辐射元件的宽度可以调节，并且可以找到合适的尺寸以满足电流幅值。通过仿真和优化进行分配。

表2 S12八元素泰勒阵列表

2.3微带线馈电线性仿真分析数组。

均匀分布矩形阵模型一端馈送如图6所示。XOY是阵列的平面。矩形微带贴片用相同的形状来设计阵列元素，这个补丁之间的间距是相同的。首先，我们调整单位间距满足微带串联馈电线性阵列波束的主方向偏转。然后，阵列是连接到外部50欧姆同轴线。由于整个阵列的阻抗与50欧姆不匹配，所以同轴线、阻抗变换部分应添加在阵列的前面以匹配阻抗。这个截面长度为，距离在辐射元件和辐射元件之间是4.19毫米。

图6：一端馈电均匀分布的矩形阵列模型

均匀矩形阵的参数一端馈送的分布如图7所示。它可以从图中可以看出，在中心频率为35GHz时，回波损耗为27.7dB。相对带宽dB从图中可以找到为26.14%。

图7：矩形阵列的统一参数一端参数

矩形阵列的均匀阻抗一端馈点的分布如图8所示。可以看出，天线在48.8Omega;处匹配良好。

图8：阻抗矩形阵列以及均匀馈点分布的研究

平面增益如图9所示，最大增益是13.79dB。第一旁瓣电平为13.2dB。主瓣在E平面上实现偏转偏移，角度约为60°，E平面内3dB波瓣宽度为16.8°。

图9：矩形阵列的均匀平面增益一端增益

第一旁瓣电平较高，不能满足设计要求。我们需要找到合适的间距。在元件之间满足主束扫描，电流分布被设计成减少旁瓣电平。

本文采用泰勒电流分布降低旁瓣电平。泰勒分布通常用于中间馈送的形式。辐射间距单位通常需要一个波长。因为设计需要实现主光束偏移，间隔不再是波长。

阵列的中心，需要调整表单。对于一个改变主束扫描偏差的阵列辐射单位之间的间隔，我们实际上改变了辐射元件之间的电流相位差。考虑当前阶段对于整个阵列的差异，在一侧添加蛇形曲线。调整相位差的

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