一種用于5G的大規(guī)模MIMO天線陣設(shè)計(jì)

毛建軍，于大群,2，焦永昌

(1. 南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039;　2. 天線與微波技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，　南京 210039)

(3. 西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，　西安 710071)(4. 天線與微波技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，　西安 710071)

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一種用于5G的大規(guī)模MIMO天線陣設(shè)計(jì)

毛建軍1，于大群1,2，焦永昌3,4

(1. 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039;2. 天線與微波技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210039)

(3. 西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710071)(4. 天線與微波技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

摘要：設(shè)計(jì)了一種用于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的大規(guī)模MIMO天線陣。該天線陣采用8×8矩形排布，天線單元采用縫隙耦合饋電的貼片形式，通過蝕刻在上層地板上的兩個(gè)正交H型縫隙對(duì)輻射貼片分別耦合饋電來實(shí)現(xiàn)±45°雙線極化特性。所設(shè)計(jì)的天線陣工作在3.4 GHz～3.6 GHz，具有剖面低、結(jié)構(gòu)緊湊、便于與射頻前端集成化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，能夠很好地滿足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)天線陣的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：5G；大規(guī)模MIMO；耦合縫隙

0引言

自20世紀(jì)80年代以來，移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了以模擬蜂窩技術(shù)為主的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)，以TDMA和FDMA為主的第二代數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)(2G)，以CDMA為主要特征支持寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的第三代通信系統(tǒng)(3G)，以及以O(shè)FDM和MIMO為主要特征的第四代通信系統(tǒng)(4G)。目前，4G技術(shù)已經(jīng)得到大規(guī)模商用，使數(shù)據(jù)速率得到了一個(gè)很大的提升。但隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)無線通信系統(tǒng)提出了更高的要求，因而，5G的研發(fā)也被國(guó)內(nèi)外各大通信企業(yè)放上日程。作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，大規(guī)模MIMO天線陣的性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著重要影響[1]。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，天線陣常采用八單元一維線陣，天線陣單元一般采用十字交叉的對(duì)稱振子形式[2]。顯然，一維線陣無法實(shí)現(xiàn)波束的二維掃描，而且，振子型天線單元需要平衡巴倫饋電，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，成本高，不適合大規(guī)模組陣設(shè)計(jì)；此外，振子型單元占用空間大，不適合低剖集成化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]提出了一種應(yīng)用于5G通信系統(tǒng)的新型陣面，該天線陣是工作在5.8 GHz，具有64個(gè)射頻通道，256個(gè)單元的單極化微帶天線陣面，天線陣單元通過探針饋電直接與后端射頻電路相連。該天線陣整體結(jié)構(gòu)緊湊，加工簡(jiǎn)單，但該天線陣無法實(shí)現(xiàn)雙極化特性。

本文提出一種用于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的新型8×8大規(guī)模MIMO天線陣，該天線陣的天線單元采用縫隙耦合饋電的貼片形式，通過對(duì)兩個(gè)端口分別饋電從而能夠在工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn) ±45°雙極化特性。相比于傳統(tǒng)十字交叉的振子設(shè)計(jì)形式，本設(shè)計(jì)具有剖面低、結(jié)構(gòu)緊湊，無需平衡巴倫，便于與射頻前端集成化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

1單元的設(shè)計(jì)

圖1為天線單元的結(jié)構(gòu)圖，最上層為金屬輻射貼片，往下依次為空氣層、蝕刻有H形縫隙的上層地板層、上層介質(zhì)基板層、饋電帶線層、下層介質(zhì)基板層以及下層接地板。兩個(gè)H形縫隙正交蝕刻在上層地板上，這樣排布可以有效減小兩個(gè)端口間的耦合度[4]。介質(zhì)基板采用常用的Rogers RT/duroid 5880， 厚度為1 mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.2。激勵(lì)信號(hào)由饋電帶線引入，并被上層接地板的兩個(gè)H形縫隙耦合從而激勵(lì)金屬貼片。這種口徑耦合的電磁耦合型饋電結(jié)構(gòu)可以有效地抑制饋電帶線的附加輻射。

為了消除傳統(tǒng)縫隙耦合饋電帶來的雙向輻射問題，本文的饋線采用帶狀線的形式。信號(hào)分別通過兩個(gè)帶線饋電端口引入，經(jīng)上層地板上的兩個(gè)H型縫隙耦合從而激勵(lì)金屬貼片。金屬貼片、饋電帶線以及耦合縫隙相對(duì)于介質(zhì)基板整體旋轉(zhuǎn)45°，從而實(shí)現(xiàn)±45°雙極化輻射。為了減小端口之間的耦合，縫隙之間加入了金屬化隔離通孔。此外，帶狀線兩側(cè)也加入了金屬化通孔，這樣可以有效抑制帶線傳輸過程中產(chǎn)生的高次模[5]。

天線單元的諧振頻率主要由貼片尺寸和縫隙尺寸決定。金屬貼片的初始尺寸可以由以下公式近似得到

(1)

此外，H形縫隙的口徑尺寸也是影響天線單元電參數(shù)的主要參量，其長(zhǎng)度決定電磁的耦合量。天線單元結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)由HFSS11仿真優(yōu)化得到。

圖1　縫隙耦合饋電天線單元結(jié)構(gòu)圖

為了更好地調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)來使天線達(dá)到優(yōu)異的性能，本文首先分別探究貼片尺寸、貼片距離耦合縫隙的高度以及耦合縫隙的尺寸對(duì)天線單元電參數(shù)的影響。

貼片的初始尺寸可由式(1)得到。如圖2所示，隨著貼片尺寸的增加，反射系數(shù)向低頻移動(dòng)。當(dāng)方形貼片邊長(zhǎng)為32 mm時(shí)，兩個(gè)端口的反射系數(shù)小于-10 dB(3.4 GHz～3.6 GHz)，滿足設(shè)計(jì)要求。

除貼片大小外，貼片距離耦合縫隙的空氣層高度dfoam對(duì)駐波也有著較大的影響。空氣層高度主要通過影響縫隙與貼片的電磁耦合量來影響駐波。如圖3所示，隨著貼片距離耦合縫隙的空氣層高度增加，駐波曲線向高頻移動(dòng)。當(dāng)空氣層總高度為2.5 mm時(shí)，兩個(gè)端口的反射系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2　反射系數(shù)隨貼片邊長(zhǎng)變化曲線

圖3　駐波隨空氣層高度的變化曲線

縫隙的形狀對(duì)天線單元的電參數(shù)也有著較大影響，不同形狀的縫隙與金屬貼片的耦合也不同。不當(dāng)?shù)目p隙設(shè)計(jì)還容易導(dǎo)致較強(qiáng)的后向輻射。常見縫隙有矩形縫隙、H形縫隙、啞鈴形縫隙、蝶形縫隙，如圖4所示。綜合考慮后，本文采用H形縫隙，并以其中一個(gè)端口的反射系數(shù)為例研究了H形縫隙各個(gè)參數(shù)對(duì)駐波的影響。

圖4　不同形狀的耦合縫隙

(1)L對(duì)駐波的影響

如圖5a)所示，隨著L的增加，駐波曲線向低頻移動(dòng)。當(dāng)L為30 mm時(shí)，一端口的駐波曲線滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)l對(duì)駐波的影響

如圖5b)所示，隨著l的增加，駐波曲線向低頻移動(dòng)。當(dāng)l為6 mm時(shí)，兩個(gè)端口的駐波曲線滿足設(shè)計(jì)要求。

縫隙尺寸w對(duì)駐波的影響與L對(duì)駐波的影響相近。另外，當(dāng)整個(gè)口徑保持位于輻射貼片正下方范圍內(nèi)時(shí)，如果縫隙沿著貼片非諧振方向作側(cè)向移動(dòng)也會(huì)引起輸入阻抗的變化，而這也可以作為一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)反射系數(shù)調(diào)節(jié)。

圖5　一端口反射系數(shù)變化曲線

圖6為最終得到的仿真結(jié)果：在3.4 GHz～3.6 GHz，兩個(gè)端口的反射系數(shù)小于-10 dB，S21小于-34 dB。

圖6　天線單元仿真結(jié)果

2陣列的設(shè)計(jì)

本文陣列規(guī)模較小，單元采用8×8矩形排布。為了抑制柵瓣，陣元間距需滿足[6]

(2)

陣面工作頻段為3.4 GHz～3.6 GHz，陣元間距取dx=48 mm,dy=55 mm。

圖7為陣面的仿真模型及加工實(shí)物圖。64個(gè)金屬貼片通過塑料支柱支撐在上層金屬接地板上面，接地板下面是饋電帶線層和下層金屬地板，整個(gè)天線陣面固定在金屬支架上。天線陣面每個(gè)端口通過BMA接頭連接饋電。

圖7　陣面仿真模型及實(shí)物圖

圖8為在3.4 GHz處兩個(gè)極化端口加激勵(lì)下的E面、H面波瓣仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可看出：陣中單元的波束寬度將近±56°，最大輻射方向交叉極化比大于20dB。在±56°的波束范圍內(nèi)，交叉極化比均大于18 dB。

圖8　3.4 GHz陣中心單元波瓣特性

圖9為在3.5 GHz處兩個(gè)極化端口加激勵(lì)下的E面、H面波瓣仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可看出：陣中單元的波束寬度將近±56°，最大輻射方向交叉極化比大于20dB。在±56°的波束范圍內(nèi)，交叉極化比均大于16 dB。

圖9　3.5 GHz陣中心單元波瓣特性

圖10為在3.6 GHz處兩個(gè)極化端口加激勵(lì)下的E面、H面波瓣仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可看出：陣中單元的波束寬度分別為±58°、±54°，最大輻射方向交叉極化比大于23 dB。在±56°的波束范圍內(nèi)，交叉極化比均大于15 dB。

圖10　3.6 GHz陣中心單元波瓣特性

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)陣中單元測(cè)試，得到陣中單元的駐波特性如下：反射系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與圖6中的仿真結(jié)果整體吻合較好，如圖11所示；S21實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相比有一定的增加，如圖12所示。

圖11　陣中單元反射系數(shù)特性

圖12　陣中單元S21

3結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種用于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的大規(guī)模MIMO天線陣。該天線陣的天線單元采用H型縫隙耦合饋電的貼片形式，通過對(duì)兩個(gè)端口分別饋電從而能夠?qū)崿F(xiàn) ±45°雙極化特性。所設(shè)計(jì)的天線單元工作在3.4GHz～3.6GHz內(nèi)，駐波小于2，S21小于-23 dB，具有剖面低、結(jié)構(gòu)緊湊、便于集成化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，能夠很好地滿足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)天線陣的設(shè)計(jì)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]LEE C S, KNIT D. Realization of the next-generation net-work[J]．IEEE Communications Magazine, 2005, 43(10): 34-41.

[2]肖勇才，薛鋒章. 一種新型的寬帶雙極化基站天線[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，26(5)：589-592．

XIAO Yongcai, XUE Fengzhang. A novel wideband dual-polarized base-station antenna[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition), 2013，26(5)：589-592.

[3]PANG X D, HONG W, YANG T Y, et al. Design and implementation of an active multibeam antenna system with 64 RF channels and 256 antenna elements for massive MIMO application in 5G wireless communications[J]. IEEE Communications, 2014(11):16-23.

[4]HIENONEN S, LEHTO A, RAISANEN A V. Simple broadband dual-polarized aperture-coupled microstrip antenna[C]// IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. Orlando, FL: IEEE Press, 1999: 1228-1231.

[5]POZAR D M. Microwave engineering[M]. New York: John Wiley&Sons, 2009.

[6]MAILLOUX R J. Phased array antenna handbook[M]. London: Artech House, 1994.

毛建軍男，1990年生，碩士。研究方向?yàn)榇笠?guī)模MIMO天線陣設(shè)計(jì)、寬頻帶天線設(shè)計(jì)等。

于大群男，1981年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楣虘B(tài)有源相控陣天線設(shè)計(jì)、超寬帶天線設(shè)計(jì)、微帶天線設(shè)計(jì)等。

焦永昌男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閮?yōu)化算法、天線CAD技術(shù)等。

Massive MIMO Antenna Array Design for 5G Communication System

MAO Jianjun1，YU Daqun1,2，JIAO Yongchang3,4

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)(2. National Key Laboratory of Science and Technology on Antenna and Microwaves,Nanjing 210039, China)(3. School of Electronic Engineering, Xidian University,Xi′an 710071, China)(4. National key Laboratory of Science and Technology on Antenna and Microwaves,Xi′an 710071, China)

Abstract：A massive MIMO antenna array for the 5G communication system is designed. The antenna array is with 8×8 elements and the rectangular arrangement. The patch fed by coupled slots is chosen as the array element, which realizes ±45° dual-linear polarization by the excitation of two orthogonal H shape aperture slots etched on the upper ground. The designed antenna covering 3.4 GHz～3.6 GHz frequency band has advantages such as low profile，compact structure and easy integration with RF frontend, which can meet the demand of antenna array for the next generation communication system.

Key words：5G; masssive MIMO; coupled slots

中圖分類號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)02-0066-04

收稿日期：2015-10-14

修訂日期：2015-12-16

通信作者：毛建軍Email：chinamjj@163.com

DOI：·天饋伺系統(tǒng)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.015