大规模MIMO贴片天线阵及宽频带印刷天线设计

摘要

作为新一代无线移动通信网络，5G（第五代移动通信系统）具有更高的数据传输速率、更大的网络容量以及更小的时延。大规模MIMO（MassiveMIMO）天线阵列技术以其在频谱效率、能量效率及可靠性方面巨大的优势，已经成为未来5G通信中最具革命性的技术之一。同时，新一代无线通信系统的向下兼容性对天线的宽频带特性也提出了更高的要求。论文紧密结合当前无线移动通信系统的发展需求，以大规模MIMO贴片天线阵以及宽频带印刷天线为研究对象，主要取得如下研究成果：
　　1.设计了一种单极化缝隙耦合馈电天线单元。首先研究了“H”形缝隙与“哑铃”形缝隙对天线电性能参数的影响，并选择“H”形缝隙作为天线的耦合缝隙。在此基础上，设计了一种缝隙耦合馈电天线单元，通过综合调节辐射贴片尺寸与缝隙结构尺寸，解决了耦合缝隙与馈电带状线向下偏移带来的失配问题。
　　2.设计了一种8×8大规模MIMO贴片天线阵。该天线阵采用缝隙耦合馈电的±45°双极化天线单元组阵。天线单元由刻蚀在上层地板的两个正交放置的“H”形缝隙分别耦合激励上层贴片来实现±45°双极化辐射。通过减小贴片尺寸，引入新的调节变量，改善了贴片旋转45°带来的端口隔离度恶化现象。实测结果表明，所设计的天线阵面满足设计要求。相比于双极化十字交叉振子，所设计的天线阵面剖面低，结构紧凑，便于与射频前端集成设计，能够很好得满足未来5G通信系统的要求。
　　3.仿真设计了一种采用多贴片谐振方法展宽天线频带的缝隙耦合馈电天线单元。首先设计了一种具有双层贴片实现单极化辐射的缝隙耦合馈电天线单元，双层贴片形
　　成两个谐振点从而有效展宽带宽。在此基础上，设计了一种具有双层贴片实现双极化辐射的缝隙耦合馈电天线单元，重点仿真优化了两个辐射贴片的大小以及贴片距离地板的高度。仿真结果显示，在3.2GHz-4.2GHz内两个极化端口的反射系数小于-10dB，端口隔离度优于34dB。
　　4.设计了一种宽频带圆极化印刷天线。圆极化印刷天线由共面波导馈电，通过接在共面波导馈电线的两个枝节来激励圆极化波。实测结果表明，所设计的宽频带圆极化天线阻抗带宽达到57％，轴比带宽达到50％。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作及内容安排

第二章 基础理论

2.1 天线电性能参数

2.2 缝隙耦合馈电理论

2.3 阵列理论

2.4 大规模有源MIMO天线系统架构

2.5 本章小结

第三章 大规模MIMO贴片天线阵设计

3.1 引言

3.2 缝隙耦合馈电的单极化天线设计

3.3 缝隙耦合馈电的双极化天线设计

3.48×8 MIMO贴片天线阵仿真

3.5 实测结果

3.6 本章小结

第四章 宽带双极化及圆极化印刷天线设计

4.1 引言

4.2 宽带双极化偶极子

4.3 宽带缝隙耦合馈电多层贴片天线设计

4.4 宽带圆极化印刷天线设计

4.5 本章小结

第五章 结论

5.1 本文主要研究内容

5.2 进一步研究及展望

参考文献

致谢

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