小型化MIMO 天線設計在增強型移動寬帶中的應用分析

楊亞冬

（中通服網盈科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著移動通信技術的迅猛發展，人們對高性能無線通信系統的需求日益增長。在此背景下，小型化多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）天線通過在有限空間內布局多個天線元素，顯著提高無線通信系統的數據傳輸速率，并改善系統的信號質量。然而，設計和實現高性能的小型化MIMO 天線面臨眾多技術挑戰，包括在緊湊設計中保持天線元素間的高隔離性、優化天線的輻射效率和帶寬性能，還需要考慮材料選擇和制造工藝的影響。隨著通信頻段向超高頻段的拓展和智能可重構天線技術的發展，集成化與模塊化設計成為實現高效、靈活通信網絡的重要方法。

1 小型化MIMO 天線的設計要求與技術挑戰

小型化MIMO 天線的設計要求在有限的空間內實現多個天線元素的布局，以支持MIMO 技術，從而提高無線通信系統的效率，并擴大系統容量。小型化MIMO 天線設計所面臨的技術挑戰不僅包括如何保持天線元素之間的高隔離性來防止互相干擾、如何優化天線的輻射效率和帶寬性能，還需考慮天線材料選擇和制造工藝的影響，確保天線性能的穩定性和可靠性。在實現多頻段支持的同時，要克服由于天線尺寸減小帶來的增益和效率的潛在損失。這需要采用創新的設計方法和技術，如使用特殊的天線結構和饋電技術，以實現在緊湊空間內的高性能MIMO 天線設計。MIMO 天線原理如圖1 所示。

圖1 MIMO 天線原理

1.1 多頻帶天線設計的重要性

設計多頻帶天線使天線能夠在多個頻段中工作，覆蓋5G 網絡中不同的頻率需求，包括低頻、中頻及高頻段。這樣天線可以適應不同的通信環境和應用場景，如城市密集區域的高速數據傳輸和廣闊農村地區的廣域覆蓋[1]。同時，多頻帶天線設計有助于提高頻譜利用率，通過在多個頻段中同時傳輸數據，可以顯著提升網絡的數據吞吐量和用戶體驗。此外，多頻帶天線設計在兼容現有技術的同時預留對未來技術的擴展性，從而保障投資的長期有效性。

1.2 高隔離特性的實現方法

在MIMO 天線系統中，高隔離性可以確保天線元素之間的互相干擾最小化，從而提升信號質量，擴大系統容量。例如，通過調整天線元素之間的距離和角度，利用天線陣列的對稱性或設計特殊的天線形狀來物理隔離各個天線單元。此外，技術人員通過在天線之間添加隔離元件、使用去耦網絡、應用電磁場帶隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）結構和互補分裂環諧振器（Complementary Split Ring Resonators，CSRRs）等手段來進一步提高隔離性。這些方法通過減少電磁波的相互耦合和干擾，有效提升MIMO 系統的整體性能。同時，對天線設計進行精細的電磁仿真分析和優化，確保在緊湊的空間內達到最佳的通信效果。

1.3 小型化MIMO 天線的材料與制造工藝

小型化MIMO 天線天線的設計與制造過程中，通常采用具有低損耗和適中的相對介電常數的材料。FR-4 是一種常見的基板材料，具有約4.5 的相對介電常數和0.02 的損耗正切值，適用于低成本和中等性能要求的應用場景。更高端的應用可以采用具有損耗正切（約0.001 5）和更強的頻率穩定性的RT/duroid 或Taconic 等材料，但成本相對較高。在制造工藝方面，精密的光刻技術對于多頻帶和寬帶天線設計尤為重要，其可以精確控制天線。例如，使用微帶線技術可以精確控制天線尺寸，其制造公差一般在±0.02 mm 范圍內。此外，射頻（Radio Frequency，RF）噴墨打印和3D 打印技術為天線設計提供更大的靈活性，可以制造復雜形狀和多層結構的天線，減小天線尺寸的同時提升天線性能[2]。隨著技術的進步，緊湊型天線設計越來越多地采用高性能材料和先進制造技術，如使用具有超低損耗和高介電常數的陶瓷材料，以及采用射頻燒結和激光直寫技術，實現更高的精度和更復雜的天線結構。

1.4 天線的輻射效率

天線的輻射效率是天線輻射功率與天線接收到的總輸入功率之比，可以反映天線設計和制造過程中能量轉換的效率。高輻射效率意味著天線能夠將更多的輸入功率轉換為有用的輻射能量，不以熱量或其他形式的損耗耗散。輻射效率的優化涉及天線的設計、所選材料的電磁屬性、制造工藝的精度等方面。在小型化MIMO 天線設計中，由于空間限制和多元素集成的復雜性，難以保持高輻射效率，但通過創新設計和先進制造技術的應用，可以有效克服這些難題。

1.5 帶寬性能

對于無線通信系統而言，帶寬性能直接影響數據傳輸速率和信號質量。天線的帶寬越寬，其能夠適應的信號類型就越多，能夠支持的通信協議和應用越廣泛。設計者需要采用多種策略，如利用多重諧振模式、采用特殊的天線結構或使用非傳統材料，優化帶寬性能。匹配網絡的設計也對帶寬性能有重要影響，通過優化匹配網絡，可以改善天線的輸入阻抗特性，從而在更寬的頻率范圍內實現良好的阻抗匹配，提高天線的輻射效率，并增強信號接收能力。

2 小型化MIMO 天線在增強型移動寬帶應用中的性能評估

小型化MIMO 天線在增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）應用中，信封相關系數（Envelope Correlation Coefficient，ECC）、多樣性增益（Diversity Gain，DG）、總有效反射系數（Total Active Reflection Coefficient，TARC）以及信道容量損失（Channel Capacity Loss，CCL）等性能參數均為評估天線在實際應用中性能的重要指標，可以直接反映天線設計的優越性及其在實際通信系統中的表現。ECC 值低于0.1 通常被認為是優良的MIMO 天線設計，能有效減少天線元素間的相互干擾；DG 高于10 dB意味著天線能夠提供良好的信號質量和接收性能；TARC 低于-10 dB 且CCL 低于0.5 bits·s-1·Hz-1則表示天線具有較高的輻射效率和優異的通信能力。通過精確測量和分析這些參數，可以全面評估小型化MIMO 天線在eMBB 場景下的性能，確保其滿足5G網絡對高速數據傳輸和可靠性的嚴格要求。

2.1 性能參數的測量與分析

ECC 通過計算天線元素間的相關性來評估天線系統的性能和信號重疊度。理想情況下，ECC 值應低于0.1，以確保天線元素之間的低相關性，從而減少相互干擾。在eMBB 應用中，小型化MIMO 天線設計的核心在于其性能參數的測量與分析，特別是等效輻射功率和等效接收功率。其中，ECC 是評估MIMO天線性能的參數之一。ECC 衡量不同天線端口之間的信號相關性，對于保證通信質量和系統容量至關重要。理想情況下，MIMO 天線的ECC 值應接近于0，這表明各個天線端口之間的信號幾乎不相關，從而最大化系統的頻譜效率和數據傳輸速率。通過精密的設計和仿真分析，小型化MIMO 天線能夠在保持較低ECC值的同時，高效利用空間資源，進而顯著提升eMBB系統的整體性能。

DG 是衡量MIMO 系統在多徑環境中性能的重要指標。DG 高于10 dB 表示天線能在復雜環境中提供較好的信號質量與接收性能。DG 的計算方式涉及天線的方向圖和信號到達角度，具體計算依賴于天線設計的復雜度。TARC 是評估天線系統整體匹配性能的指標，TARC 值低于-10 dB 表示天線具有良好的輻射效率。

CCL 是評估天線的信道容量的指標。CCL 低于0.5 bits·s-1·Hz-1意味著天線在通信系統中的性能損失最小[3]。CCL的計算基于信道矩陣和信號傳輸效率，具體依賴天線配置和信道模型。

通過精確測量和分析這些參數，能夠全面評價小型化MIMO 天線在eMBB 場景下的實際性能，確保其滿足5G 網絡對高速數據傳輸和系統可靠性的要求。

2.2 多頻帶天線的優化策略

在天線設計中集成多個共振器，每個共振器針對特定頻段優化，可以覆蓋多個頻段。具體設計時，需要精確調整共振器的尺寸和位置，以達到所需的頻率響應。頻率再配置技術是多頻帶天線設計中的優化策略之一。天線通過集成可變電容或正型-本征-負型（Positive-Intrinsic-Negative，PIN）二極管等可調元件，動態調整工作頻段，以適應不同的通信需求。這種方法在提高天線的適用性和靈活性的同時對電路設計提出更高的要求，如對可調元件的控制和整體系統的電源管理。此外，采用高效的饋電技術和匹配網絡設計對于優化多頻帶天線性能至關重要。適當的饋電結構和匹配網絡可以有效減少在不同頻段上的反射損失，提高天線的輻射效率。這通常涉及復雜的阻抗匹配技術，要求設計人員進行精細的電路仿真和優化。采用先進的材料和制造技術也是實現多頻帶天線性能優化的關鍵內容。例如，使用具有低損耗和高介電常數的材料減小天線尺寸，同時保持良好的電磁性能，適用于緊湊型多頻帶設計。利用微加工技術和3D 打印等先進制造技術可以實現更復雜的天線結構和更精細的尺寸控制，從而優化天線的性能和多頻帶覆蓋能力。

2.3 實際應用場景中的性能驗證

在實際應用場景中，需要進行性能驗證，即通過一系列定量的測試來衡量天線的實際表現，包括但不限于輻射效率、帶寬、增益以及在特定環境下的通信質量。通常在無反射室內進行輻射效率的測量，使用標準天線作為參考，輻射效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比。理想情況下，輻射效率應接近或超過85%，以確保天線的能量轉換效率較高。帶寬與天線能夠支持的數據傳輸速率密切相關。在多頻帶天線設計中，需要確保每個工作頻段的帶寬都滿足特定的通信標準。例如，一個設計用于5G 通信的天線，其在n78 頻段（3 300 ～3 800 MHz）的帶寬至少為100 MHz，以支持高速數據傳輸。增益是衡量天線接收或發射信號能力的指標，單位為dBi。對于小型化MIMO 天線，增益的測量需要考慮每個天線元素和整個陣列的性能。理想的MIMO 天線設計中，每個天線元素的增益高于5 dBi，以優化信號覆蓋范圍和質量。在特定的實際應用場景中，如城市或農村地環境，天線的性能驗證需要考慮多路徑效應、建筑物遮擋等因素對信號傳播的影響。通過在這些環境下進行實地測試，可以獲得信號覆蓋范圍、信道容量以及用戶體驗等數據。例如，通過實地測試揭示在城市環境中，天線的CCL 保持在0.3 bits·s-1·Hz-1以下，通信質量良好。

通過測試和分析這些定量參數，可以全面評估小型化MIMO 天線在實際應用場景中的性能，確保設計滿足5G 及未來通信技術的高標準要求。性能驗證數據為天線設計的進一步優化提供科學依據，確保天線能在不同的應用環境中提供穩定、高效的通信服務。

3 小型化MIMO 天線的未來發展趨勢

3.1 向超高頻段的拓展

超高頻段，特別是毫米波（30 ～300 GHz）和太赫茲（0.1 ～10 THz）頻段，由于擁有大量未被利用的頻譜資源，成為支持極高數據速率傳輸的關鍵。然而，這一拓展面臨著顯著的技術挑戰，包括信號的傳播損耗顯著增加、大氣吸收效應以及設備的能量效率問題。為解決這些問題，研究人員正在開發新的天線設計理念、材料、制造技術，以提高天線在這些頻段的性能。這包括采用高效的波束成形技術、開發新型低損耗材料以及利用微納加工技術制造緊湊型高性能天線。此外，天線系統的集成和多功能性也是實現高頻通信系統可行性的關鍵因素。

3.2 智能可重構天線技術的應用

智能可重構天線技術允許通過軟件控制動態修改天線的電氣特性，以適應不同的操作頻率、輻射模式或波束方向。智能可重構天線依賴集成的可變元件，如可變電容器、PIN 二極管或微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）光開關，實現其重構功能。這樣天線可以根據信號環境或通信需求的變化，優化其性能，如擴大信號覆蓋范圍、增強信號接收質量或減少干擾。該技術的應用不僅可以增強系統的靈活性和適應性，而且可以提升頻譜利用率和能量效率[4-5]。智能可重構天線對于支持多模多頻、實現高效的頻譜共享以及滿足未來無線通信系統的高速數據傳輸需求至關重要。

3.3 集成化與模塊化設計趨勢

集成化設計可以提高系統效率，降低制造成本。模塊化設計允許各個組件以模塊形式獨立設計和測試，并根據特定應用需求組合在一起，提供高度的靈活性和可擴展性，使天線系統可以輕松適應不同的技術和市場需求。同時，模塊化設計簡化升級和維護過程，有助于縮短產品開發周期并降低整體成本。

4 小型化MIMO 天線的實際部署與應用案例

小型化MIMO 天線因其緊湊的尺寸和高效的多頻帶性能，廣泛部署于城市中的基站和移動設備，支持密集的網絡需求和高數據吞吐量。例如，小型化MIMO 天線被集成在5G 基站中，可以支持寬頻帶和應用波束成形技術，從而優化信號覆蓋和網絡容量。這種部署策略不僅可以提高網絡的速度和可靠性，而且能夠顯著提升頻譜的利用效率。在城市環境中，小型化MIMO 天線通過支持大量并發連接和降低延遲，為用戶提供無縫的高速數據服務，滿足流媒體視頻、高速下載、云服務等應用的需求。這一應用案例表明小型化MIMO 天線技術在實現高效、高容量城市通信網絡方面具有關鍵作用。

5 結 論

小型化MIMO 天線技術作為無線通信領域的一項重要進展，在提升網絡容量、增加數據傳輸速率以及優化頻譜利用率方面發揮著至關重要的作用。文章深入分析小型化MIMO 天線技術設計原理、技術挑戰、多頻帶優化策略以及智能可重構技術。通過精確測量和分析相關性能參數，確保小型化MIMO 天線技術在eMBB 場景下可以滿足5G 網絡對高速數據傳輸和可靠性的嚴格要求。