详解5G新体制天线技术

本文通过对现今5G技术的发展趋势和发展瓶颈进行分析，提炼出了在5G MIMO天线技术中最为重要的耦合减小技术。分别介绍了两大类新体制天线技术，包括：基于耦合谐振器去耦网络的紧耦合终端天线；基于超材料（超表面）的MIMO，Massive MIMO天线阵耦合减小及性能提升技术。通过无源参数，有源参数和MIMO参数的测试和评估，证实了这两类新体制天线在5G中的明显优势和广阔应用场景。

1技术背景与研究意义

以信息技术为代表的新一轮科技和产业变革，正在逐步孕育升级。在视频流量激增，用户设备增长和新型应用普及的态势下，迫切需要第五代移动通讯系统（5G）的技术快速成熟与应用，包括移动通信，Wi-Fi，高速无线数传无一例外的需要相比现在更快的传输速率，更低的传输延时以及更高的可靠性。为了满足移动通信的对高数据速率的需求，一是需要引入新技术提高频谱效率和能量利用效率，二是需要拓展新的频谱资源[1]。

在此背景下，大规模多输入多输出技术 （Massive MIMO）已经不可逆转的成为下一代移动通信系统的中提升频谱效率的核心技术[2]。多输入输出技术(MIMO) 可以有效利用在收发系统之间的多个天线之间存在的多个空间信道，传输多路相互正交的数据流，从而在不增加通信带宽的基础上提高数据吞吐率以及通信的稳定性[3]。而Massive MIMO技术在此基础之上更进一步，在有限的时间和频率资源基础上，采用上百个天线单元同时服务多达几十个的移动终端(详见图1)，更进一步提高了数据吞吐率和能量的使用效率[2]。

图1、一个典型的大规模多输入多输出阵列系统

除了Massive MIMO的应用，5G另外一个关键技术就是高频段（毫米波）传输。传统移动通信系统，包括3G，4G移动通信系统，其工作频率主要集中在3GHz以下，频谱资源已经异常拥挤。而工作在高频段的通信系统，其可用的频谱资源非常丰富，更有可能占用更宽的连续频带进行通信，从而满足5G对信道容量和传输速率等方面的需求[1], [4]。因此，在2015年11月，世界无线电通信大会WRC-15，除了确定了470~694/698 MHz、1427~1518 MHz、3300~3700 MHz、以及4800~4990 MHz作为5G部署的重要频率之外，又提出了对24.25~86GHz内的若干频段进行研究，以便确定未来5G发展所需要的频段[1], [5]。

但毫米波移动通信也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。因此，高增益、有自适应波束形成和波束控制能力的天线阵列，自然成为5G在毫米波段应用的关键技术[6]。

然而，考虑到上述系统、天线阵的实际应用场景和应用环境，带有Massive MIMO天线阵的5G基站建站时，由于实际空间受限，天线阵的体积不能很大。天线阵物理尺寸受限的情况下，多个天线单元之间的互相耦合、干扰，必然会造成天线性能的下降，主要表现在以下几个方面：

（1）造成天线副瓣较高[7]，对阵列的波束扫描能力有较大的影响[8]；
（2）由于天线单元之间互相的干扰，造成信噪比变差，进而直接影响数据吞吐率；
（3）使得能够有效辐射的能量减少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下[8],[9]。

综上所述，在5G适用的低频段和高频段，迫切需要寻找一种行之有效的改善空间受限的Massive MIMO天线阵列的性能的理论和设计方法，能够即缩小天线阵体积，又保持原有的天线阵性能。

在5G Massive MIMO的天线设计和小型化方面，目前公开发表的文献比较少，典型的代表包括，新加坡国立大学陈志宁教授团队和东南大学洪伟教授团队的基于超材料的平面透镜天线阵[10]，以及加拿大康考迪亚大学一些学者提出的同样含有超材料透镜的、用缝隙波导馈电的天线阵[11]。在5G频段，Massive MIMO天线阵依然存在着大量的仍待解决的问题，如小型化设计，性能改善，新工艺的实现等等。在我国开展5G技术试验的关键阶段，进一步推动Massive MIMO天线阵的设计理论研究，性能改善方法研究，对于5G技术的快速成熟和使用，具有着重要而又深远的意义。

2耦合谐振器去耦网络