一種應用于4G/5G頻段的新型8×8頻率可重構MIMO系統設計

祁鈺 許一虎

摘 ? 要：文章提出一種可應用于4G/5G工作頻段且應用分集技術解耦的8×8頻率可重構MIMO系統。八天線陣列中包括4個可切換于2.6 GHz頻段和3.5 GHz頻段的頻率可重構天線模塊以及4個應用于3.5 GHz頻段的5G模塊。由于頻率可重構技術的應用，該系統可滿足網絡傳輸速率等多種要求，進一步提高終端設備的空間利用率和系統應用的靈活性。文章給出了MIMO系統切換前后的S參數和包絡相關系數等參數的計算結果，結果顯示出多天線陣列的可應用性。

關鍵詞：頻率可重構技術;多天線陣列;多輸入多輸出;分集技術;5G通信

現如今，5G網絡已經逐漸商用，對于5G應用技術的改良與完善從未止步[1-2]。毫無疑問，傳輸速率一直是5G通信的核心要求之一。多天線陣列的應用是實現多輸入多輸出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）系統的有力手段，可以有效擴展信道容量、提升鏈路可靠性、提升通信速率[3]。因此，在5G通信的亞6 GHz領域被廣泛應用。對于大規模MIMO技術而言，天線應用數量越多，存在的問題越多，例如大尺寸、天線帶寬、天線單元互耦以及多頻段應用等問題。也會導致一些針對終端設備本身的問題的產生，例如，眾多天線共同工作會增加終端電池系統的負荷，影響移動終端設備的待機時長。

在傳統的天線模塊設計中，對于應用頻段，通常是針對單一頻段設計。隨著通信頻段的不斷增加，勢必要使終端設備完成更多頻段的應用[4]，這就會導致設備空間的進一步惡化。因此，對于天線的多頻化應用，若利用頻率可重構技術，使一個天線模塊既滿足4G頻段的工作需求又可以在5G頻段應用[5]，則該多模式共存模塊可大大提高其工作靈活性和終端設備的空間利用率。此外，對于天線間解耦技術的選擇主要可分為兩大類：增加解耦結構和使用分集技術。增加解耦結構的方法需要較為精準的計算，并且需要額外引入空間安置相關電路設計。分集技術則不需要增加額外的解耦結構，僅在輻射體自身進行改變，在保證天線單元間隔離度性能的同時，在一定程度上降低電路復雜度。

本研究利用MIMO技術與分集技術，設計并仿真了一個可在4G/5G頻段切換的8×8頻率可重構MIMO系統。其中，4G頻段針對LTE2600頻段，而5G網絡傳輸應用則覆蓋3.4～3.6 GHz。此八天線陣列可滿足1～4個4G模塊接入以及4～8個5G模塊接入，靈活搭配，可滿足網絡傳輸以及天線應用的多種要求。本研究分析了八天線陣列在頻段改變前后的S參數和包絡相關系數（Envelope Correlation Coefficient，ECC）等計算結果。結果顯示了系統的可應用性。

1 ? ?8×8頻率可重構MIMO系統設計

利用4個本研究設計的頻率可重構天線結合5G模塊，利用分集技術設計了新的8×8頻率可重構MIMO系統。八天線陣列利用一個FR4基板作為系統電路板（140 mm×70 mm）。系統金屬接地平面尺寸與系統電路板相同，并且在其上預留了8個16 mm×3 mm的矩形空間以適應配合八天線陣列中的8個天線模塊（Ant 1-Ant 8）。天線沿電路板長邊放置，同側天線間距為22 mm，如圖1所示。

其中，Ant 1，Ant 4，Ant 5和Ant 8為本研究提出的4G/5G頻率可重構天線，它們的存在使得八天線陣列可以有多種天線搭配方案。天線為彎曲單極帶形態，包括調諧短柱和饋電端。彎曲單極帶是輻射部分。調諧短柱可以依靠調節其延伸長度，微調工作頻率與S參數。饋電端則為輻射體提供激勵。當頻率可重構天線切換至2.6 GHz頻段時，輻射體尺寸為3 mm×21 mm，彎曲帶總長度為45 mm。調諧短柱經優化設計后尺寸為0.63 mm。當輻射體應用于3.5 GHz時，輻射體總尺寸為3 mm×16 mm，彎曲帶總長度為35 mm。此時，調諧短柱僅為0.3 mm。此外，輻射體結構中存在5個開關，分為兩組，利用開關開合控制整個輻射體的接入長度，進而控制輻射體應用頻段。開關狀態配置如表1所示。

2 ? ?結果與分析

對此8×8頻率可重構天線陣列進行設計分析。由于頻率可重構技術的應用，八天線陣列存在多種天線應用方案。本研究對于兩種最典型的情況進行了分析。Case1是使頻率可重構天線全部應用于4G頻段。Ant 1，Ant 4，Ant 5與Ant 8分別為Ant4g1-Ant4g4，Ant 2，Ant 3，Ant 6與Ant 7分別為Ant5g1—Ant5g4。此時，八天線陣列包括4個4G天線模塊和4個5G天線模塊，因此，分析時需對兩個頻段分別進行仿真分析。Case2是使頻率可重構天線應用于5G頻段。此時配合單一5G模塊，MIMO系統共有8個5G模塊接入。由于八天線模塊安置方式呈對稱分布，因此，僅對電路板左側4個天線進行仿真計算分析。

Case1下8×8頻率可重構MIMO系統在兩個頻段下的模擬S參數計算結果如圖2所示，其中，圖2（a）表示中心頻率為2.6 GHz的情況，圖2（b）表示中心頻率為3.5 GHz的情況。Case1下MIMO系統在兩個頻段中的ECC計算結果如圖3所示。

Ant4g1與Ant4g2的回波損耗（S11，S22）如圖2（a）所示，兩者均較好，中心頻率處可達﹣15 dB，且Ant4g1具有更為良好的阻抗匹配程度。此外，圓節點實線則表示了Ant4g1與Ant4g2之間的天線隔離度。在所期望的工作波段內，天線間的相關度優于﹣28 dB，較好處在﹣30 dB以下。由圖3可知，系統在2.6 GHz頻段上的包絡相關系數均低于0.05，分集現象明顯。此時的5G天線在3.5 GHz上的反射系數（S11，S22，圖中實線部分）優于﹣15 dB，如圖2（b）所示。對于在期望頻段內的天線隔離度而言，Ant5g2與Ant4g1之間的相關度低于﹣18 dB，Ant5g2與Ant5g3之間的隔離度優于﹣13 dB。仿真的結果與所期望的較為吻合。由圖3可知，系統在3.5 GHz頻段內的ECC計算結果趨近于0，說明在此種天線陣列搭配之下，各天線模塊可做到各司其職。

Case2中八天線陣列在3.4～3.6 GHz頻段的S參數和ECC計算結果如圖4所示。其中，圖4（a）給出S參數結果，圖4（b）則表示ECC計算結果。

Ant5g1—Ant5g4的反射系數均優于﹣22 dB，如圖4（a）所示。其中，Ant5g4天線單元的反射系數最佳，在中心頻段處低至﹣27 dB。一部分原因在于它的安置方向以及位置對其性能產生了正向作用。此外，圖4僅給出了相鄰天線單元間隔離度參數的仿真計算結果，并且模擬隔離度結果（S21，S32，S43）在中心頻率處均優于﹣12 dB。天線相關系數結果也可以證明Ant4的安置方向對于天線隔離度基本沒有改變作用。由圖4（b）可知，此八天線陣列的各個天線模塊性能優良，相關度低，天線解耦效果良好。根據計算結果可知，MIMO系統在3.5 GHz頻段中的ECC均低于0.1，性能較好，可滿足通信應用要求。

此外，為進一步驗證MIMO系統解耦應用的分集技術，圖5給出了八天線陣列中應用的頻率可重構天線Ant 1在切換于4G/5G頻段時的輻射方向。其中，圖5（a）和圖5（b）分別表示系統應用于2.6 GHz和3.5 GHz頻段的情況。

由于兩種模塊下天線的結構相似，天線輻射方向圖走向相似，呈現相似的輻射模式。在兩種模式之下均可觀察到頻率可重構模塊在XY與YZ平面都在﹣y方向呈現出寬邊現象。在XZ平面上出現一些微小的差別。根據Ant 1的輻射特性以及天線對稱安置分布可以得知，系統電路板左側天線模塊的遠場輻射對準﹣y方向，系統電路板右側天線模塊的遠場輻射方向對準﹢y方向，在一定程度弱化了輻射遠場對準的情況。結果驗證了此種天線結構能完美實現天線場型分集技術。分集技術降低了天線相關度，提高了天線隔離度，達到天線解耦的效果，進而提升了天線性能。

3 ? ?結語

隨著通信頻段的增加，對于手機終端天線的設計越發困難。因此，文章針對終端設備多頻化應用問題，選擇了利用頻率可重構技術設計多天線陣列。在滿足多頻化需求的同時，利用MIMO技術提高通信的信道容量。文章提出一種可應用于4G/5G工作頻段且應用分集技術解耦的8×8頻率可重構MIMO系統。其中，4G頻段可覆蓋2 546～2 680 MHz，中心頻率為2.6 GHz。而5G頻段則可覆蓋3.33～3.67 GHz，中心頻率為3.5 GHz。系統大小滿足于手機終端設備的尺寸要求。八天線陣列的S參數和ECC計算結果顯示了MIMO系統的通信可應用性，并且性能良好。輻射方向圖進一步驗證了對分集技術的應用合理性。

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Abstract：This paper presents an 8×8 frequency reconfigurable MIMO system which can be applied to 4G/5G working frequency bands and decoupled by diversity technology. The eight antenna array consists of four frequency reconfigurable antenna modules which can be switched to 2.6 GHz frequency band and 3.5 GHz frequency band and four 5G modules which can be applied to 3.5 GHz frequency band. Because of the application of frequency reconfigurable technology， the system can meet the requirements of network transmission rate and other requirements， and further improve the space utilization of terminal equipment and the flexibility of system application. The calculation results of S parameters and envelope correlation coefficient before and after switching of MIMO system are given. The results show the availability of multi-antenna arrays.

Key words：frequency reconfigurable technology; multi-antenna array; multiple-input multiple-output; diversity technology; 5G communication