未来5G无线通信系统的MIMO天线设计外文翻译资料

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未来5G无线通信系统的MIMO天线设计

M. Aziz ul Haq, M. Arif Khan and Md Rafiqul Islam

摘要：本文介绍了一种用于未来的5G无线通信系统的新颖的多输入多输出（MIMO）天线设计。 超宽带天线阵列设计在一个适合无线电通信频率的印刷电路板上。该阵列放置在一个包含四个具有单独激发源的天线元件的矩形板上。 在多天线系统中，天线之间的隔离度是一个具有挑战性的任务，在本文提出的设计中使用拐角接地结构实现。这有效的减少了天线之间的相互耦合。所提出的天线阵列的测量阻抗带宽范围为3至9 GHz，在此范围内反射系数均小于小于-10 d B。所提出的设计在整个目标频段上也表现出稳定的辐射特性。

1介绍

5G（第五代移动通信）是一种新兴的无线技术，估计要到2020年就能实现商业化。学术界和商业公司对5G无线系统的研究和开发具有很大的兴趣，如华为技术[1]。 5G技术的主要组成部分之一是大规模MIMO天线系统，它能实现目前的4G和LTE高级无线系统的10-100倍带宽。 在未来的无线通信系统中，多天线阵列用来获得特定的信息的收发装置。 在本文中，我们提供了一个简单但基本的MIMO天线系统的单元元素，可用作更大规模的MIMO天线阵列。

MIMO天线的主要挑战之一是元件之间的相互耦合。相互耦合会影响天线的性能，从而影响整个系统的性能。为了克服互相耦合问题，提出的设计中天线之间的隔离应该很高。设计小型天线特别是适用于具有MIMO元件的手持设备时，实现高隔离度尤其困难[1-6]。

在大多数MIMO天线文献中，天线元件由印刷单极子或平面倒置F天线（PIFA）组成。在这种设计中，天线元件之间的合理隔离是很困难的。因此，各种隔离结构被用来减少隔离，但是这些结构使得设计复杂甚至变得非平面。为了克服这些挑战，我们在本文中提出了一种印刷三角形天线（PTA），其工作在6 GHz频带，能够支持大规模MIMO操作频率。所提出的天线设计简单，易于制造，并具有如图1所示的平面设计。此外，我们不使用任何单独的隔离结构天线元件，就能实现天线元件之间的良好隔离。与贴片天线相比，所提出的设计还提供了良好的带宽。

本文的其余部分的结构如下。 第2节介绍讨论关于MIMO天线设计。 第3节介绍了所提出的MIMO天线系统的性能，本节还介绍了模拟和测量结果。第4节总结了本文。

图1 提出的4个元素MIMO天线系统的原理图布局（俯视图）

2 MIMO天线设计

图1显示了所提出的MIMO天线系统的几何布局。该设计包括散热器，接地平面，散热器结构上的槽和四条微带传输线，如图1所示。MIMO天线系统使用ANSYS HFSS [7]软件设计，并在FR-4基板上制作和进行性能测量。

制造的MIMO天线的照片如图2所示。所提出的MIMO天线系统是使用市售的电磁仿真软件HFSS进行设计和仿真的。设计的天线系统已经被制造用于模拟结果的实验验证，如图2所示。MIMO天线系统制造在FR-4基片上，介电常数为4.3，损耗角正切0.025，高度，宽度和长度尺寸分别为1.6*90*90 mm³。散热器和接地平面位于电介质基板的顶部和底部。两者均由铜材料制成厚度为0.035 mm，电导率为5.96*10⁷ S/m。为了实现50Omega;输入阻抗匹配，使用微带传输线来激发合适的组合。在散热器上引入矩形楼梯在带宽和回波损耗（RL）方面对天线的性能有很大的影响。该设计中最重要和最有趣的部分是引入MIMO天线系统的角截面接地方案。本文使用辐射贴片或地面上的槽切割技术在高频处扩展频率以增加带宽[8-11]。总体而言，提出的基于楼梯的馈线技术具有截断的地面结构，有助于提高MIMO天线的阻抗匹配，其对天线性能的影响在第3部分中的不同结果是显而易见的。

图2 提出的MIMO天线系统的制造原型

2.1互耦

任何用于实际应用的天线的反射系数的基本要求小于-10 d B。在一个MIMO系统中，由于具有多个天线，因此存在高耦合的概率。在天线设计中可以通过使用一些创新技术来减少。在这方面有两种常用的技术。第一种技术利用了端口的垂直结构; 因为减少相邻天线之间的耦合的最简单的方法是使它们彼此远离并使它们以它们的极化失配的方式定向。第二种技术是在地面上的角截断。这种技术通常用于扩展天线的带宽。在本文中，我们使用第二种技术来实现所提出的MIMO天线系统的更大带宽。我们测试了四到六毫米半径不同大小的圆的截断。观察到截面为5.5mm半径圆的最佳结果。天线性能的变化是由于所提出的天线的电流分布的变化。

3提出的MIMO天线系统的特征

在本节中，我们介绍了所提出的MIMO天线系统的模拟和测量结果。我们使用HFSS [7]软件来模拟天线然后在回声室中测试测量结果。本研究中关注的参数是天线S参数，增益和辐射模式。我们在以下小节中分别介绍了所提出的MIMO天线系统的每个参数的研究。

3.1 S参数

所提出的MIMO天线系统的测量结果采用安捷伦PNA-X N5242A网络分析仪。 比较全部模拟和测量S_ij参数如图3，4，5，所示。天线设计中S参数很重要，它显示相对于所有其他天线从每个天线传输并反射的功率。从仿真和测量结果可以看出，每个天线元件与覆盖5G无线通信系统频带的6 GHz的带宽共振。 同样显而易见的是，测量结果与仿真结果非常吻合。

图3 在所提出的MIMO系统中，第一天线元件相对于第二，第三和第四天线元件的模拟和测量的S参数

图 4 在所提出的MIMO系统中相对于第一，第三和第四天线元件的第二天线元件的模拟和测量的S参数

图5 在所提出的MIMO系统中相对于第一，第二和第四天线元件的第三天线元件的模拟和测量的S参数

图6 在所提出的MIMO系统中相对于第一，第二和第三天线元件的第四天线元件的模拟和测量的S参数

表1 提出的MIMO天线系统的峰值增益（Gp）和辐射效率（g）

3.2提出的MIMO天线系统的增益

通过激发特定元件并以50Omega;匹配负载终止其他元件，可以获得系统中每个MIMO天线元件的峰值增益Gp和辐射效率g。每个天线元件的峰值增益和辐射效率总结在表1中。可以看出，所有天线元件的峰值增益从11到12.5 d B变化，增益变化小于1 dB。计算出的四个天线元件的辐射效率在7GHz下从97％变化到98％，具有1％的变化。

3.3辐射模式

极化分集是使用不同偏振（垂直或水平）来改善MIMO系统的性能的技术。根据设计结构，天线端口彼此正交，因此获得了水平和垂直偏振。在6GHz时，所提出的MIMO天线系统的共测极化和交叉极化2-D辐射模式如图7所示。端口1和2的标准化增益在xz平面和yz平面上绘制。数据收集在一个端口激活的消声室中，其他端口以标准的50Omega;匹配负载终止。根据所提出的MIMO天线系统的对称结构，端口3和4的辐射模式分别与端口1和2相同，所以未示出。由于端口是正交的，所以已经实现了双极化天线。因此，垂直和水平电场分别从端口1和2产生。此外，在预期的工作频率下可以获得没有任何深零点的全向辐射图。

图7 在7GHz下，所提出的MIMO天线系统的辐射模式的共测极化和交叉极化。A为端口1 的 xz平面，b为端口1的 yz平面，c为端口2的xz平面和d为端口2的yz平面

4 结论

在本文中，为了将来的5G无线系统，在FR-4基板上设计，仿真并呈现了四元MIMO天线系统。测试了所提出的MIMO系统的电磁特性，并且使用制作的天线的测量结果来确定模拟结果。所提出的MIMO天线阵列在测量阻抗带宽范围3至9GHz内反射系数小于-10d B，其覆盖5G的工作频率。此外，所提出的设计在整个目标频带上表现出稳定的辐射图。由于所提出的天线系统的性能非常好并且其小型化，可以被认为是5G通信应用，特别是手持设备的良好候选。

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