新一代无线移动通信基站天线关键技术研究

摘要

基站天线作为无线移动通信中连接用户通讯的桥梁，通过信息交换和处理中心，实现各种通讯终端之间的信息发送和接收，是移动通信系统中至关重要的一部分。第四代移动通信大规模商用的实际经验以及第五代移动通信如火如荼的开发测试都表明，基站天线越来越成为制约系统性能的瓶颈。在新一代无线移动通信的关键技术中，亟待解决的与基站天线相关的难点和挑战，主要表现为：在保持天线小型化的同时，扩展频带，实现多种通信制式的兼容；提高隔离度，实现同频同时全双工；抑制多输入多输出系统中阵列天线单元之间表面波的传输，减小无线通信信道的相关性，从而实现良好的抗多径干扰效应，增加通信容量；改善无线同频接入/回传系统中收发天线阵列间辐射场的互耦，缩小系统尺寸，避免产生自激，填补覆盖盲区从而提高通信网络的衍射覆盖能力。新一代无线移动通信基站天线关键技术的突破不仅包含无限的商业价值，也是天线领域的前沿技术之一，充满巨大的学术价值，尤其是极高隔离度和去耦合技术的研究。基于多频带/宽频带天线和人工超材料的相关基础理论，本文重点研究了以下四个方面：多频带小型化天线的设计、宽带极高隔离度天线的设计、多输入多输出天线阵中天线单元去耦合结构的设计和应用于无线中继系统的电磁隔离结构的设计。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了新一代无线移动通信系统的研究背景和发展趋势。回顾了新一代无线移动通信基站天线关键技术的国内外研究动态，主要从移动通信基站天线、人工超材料和自干扰信号对消技术这三个方面进行介绍。根据博士期间具体的研究项目，归纳总结了本文的主要创新点，并介绍了全文的主要内容和结构安排。⑵针对微带天线及馈电网络进行了理论分析，并介绍了矩形微带贴片、圆形微带贴片、微带功分器和微带定向耦合器的一般性设计方法。之后，针对工作于4G FDD-LTE频段1的小型化低剖面微基站天线阵，提出了一种小型化的双频带双极化天线。该天线由一种作为寄生单元的圆形贴片和一种作为主辐射单元的准十字槽圆形贴片组成。这两种贴片分别印刷于上下两层介质基板上。通过印刷电路板上的金属过孔对天线进行馈电，实现了良好的阻抗匹配、端口隔离度和稳定的辐射方向图。将该天线单元组成2×2天线阵，并提出了一种简单的无源馈电网络。通过该网络，能够容易地调节天线阵列的输入幅度和相位。该无源电路由四组 T型功分器和两组正交定向耦合器组成。通过控制馈电端口的相位差，可以实现对阵列方向图波瓣宽度的调节，实现波束赋形。仿真设计和实验测试验证了该设计方案的可行性。⑶针对工作于WIFI、4G FDD-LTE频段7、4G TDD-LTE频段38的低剖面宽带极高隔离度全双工微基站天线，提出了一种新型的磁耦合馈电结构的双极化微带天线。该天线的辐射单元采用了一种简单的矩形微带贴片。馈电结构印刷于两张垂直放置介质基板的两面，包含一个金属开口环、一个类金属开口环和一对开路传输线。该新型磁耦合馈电结构以磁耦合的方式对矩形微带贴片进行激励，在20％的相对阻抗带宽范围内，不仅实现了驻波比小于1.5的良好阻抗匹配特性，而且也保证了45dB的极高隔离度。仿真和实测结果十分吻合，并针对实测隔离度的误差进行了理论分析。⑷针对分别工作于4G FDD-LTE频段7、4G TDD-LTE频段38的极高隔离度MIMO天线阵和小型化超高隔离度微基站天线，基于上述磁耦合馈电天线，分别提出了一种新型人工周期结构和一种无源对消馈电网络，进一步提高端口隔离度。针对该新型人工周期结构和无源对消馈电网络，进行了加工测试，测试结果表明隔离度增强效果良好。⑸针对工作于4GFDD-LTE频段7、4GTDD-LTE频段38的小型化低剖面无线同频接入/回传基站天线阵，基于上述准十字槽天线，提出了一种新型的超材料表面背腔。该结构主要是由一对频率选择表面和一对负折射媒质组成，再与金属反射板一起，形成一个包围天线的开放式腔体，从而实现天线单元各端口去耦合的效应。鉴于该超材料表面背腔良好的去耦合效果，将其进行再设计并应用于2×4的回传天线阵。仿真和实测结果表明，该超材料表面背腔不仅可以抑制同极化端口的电磁耦合，而且还能够抑制交叉极化端口的电磁耦合。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 无线移动通信系统的研究背景及发展趋势

1.2 新一代移动通信基站天线关键技术的国内外研究动态

1.3 本文的主要创新

1.4 本文的主要内容和结构安排

第二章 低剖面双频双极化天线阵及馈电网络一体化的设计

2.1 微带天线及馈电网络的理论分析和设计方法

2.2 低剖面双频双极化天线单元的设计

2.3 低剖面双频双极化天线阵及馈电网络的设计

2.4 本章小结

第三章 宽带双极化极高隔离度磁耦合馈电微带天线

3.1 宽带极高隔离度磁耦合馈电微带天线的设计

3.2 宽带极高隔离度磁耦合馈电微带天线的仿真和测试结果分析

3.3 磁耦合馈电微带天线极高隔离度的物理机制与误差分析

3.4 本章小结

第四章 新型人工周期结构和无源对消馈电网络的设计

4.1 新型人工周期结构的设计

4.2 无源自干扰对消馈电网络的设计

4.3 本章小结

第五章 用于无线Relay天线阵去互耦的超材料表面背腔的设计

5.1 人工超材料的双负机理及仿真方法

5.2 用于双极化天线去互耦的超材料表面背腔的设计

5.3 用于无线Relay天线阵去互耦的超材料表面背腔的设计

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果