移动终端MIMO天线关键参数及测试验证方法研究

发布时间：2017-04-09 16:04

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【摘要】：多输入多输出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)通过在无线通信系统收发节点同时配置多根天线,可以成倍提高系统信道容量与频谱效率,已经成为当前以及未来蜂窝系统中的关键技术。收发节点的多个天线单元与无线传播环境共同组成了系统传输信道,终端天线性能的优劣对系统传输性能有较大影响。一般而言,为保证系统MIMO信道良好的传输性能,终端MIMO天线多个天线单元之间需要保持较好的增益平衡性以及较高的隔离度。对于移动终端而言,由于其体积较小,且需要支持多种无线模式和多个工作频段,因此其MIMO天线需要在较小空间内布置多个天线单元,并需要在较宽频段范围内保证多个天线单元间的高隔离度,设计难度较高。针对移动终端MIMO天线的空口(Over-The-Air, OTA)测试,即MIMO-OTA测试,是检验终端MIMO天线性能的重要方法。MIMO-OTA测试需要模拟特定的空间信道环境,并在所模拟的信道环境中测试终端MIMO传输性能。根据不同的信道环境模拟方法,MIMO-OTA测试方法大致可以分为多探头全电波暗室法,混响室法和辐射两阶段法等三类,不同方法各有优缺点。多探头全电波暗室法的信道模拟和测试结果较为准确,被广泛认可为一种认证型测试方法,但复杂度和系统成本较高；混响室法成本较低,但只能模拟各向同性信道模型；辐射两阶段法成本较低,且可以模拟各类信道模型,但测试精度受限于被测终端自身芯片平台质量,一般被认为可以用于研发型测试。本文针对移动终端MIMO天线设计及其性能测试方法展开工作。首先研究了终端小型化高隔离度MIMO天线的设计；然后研究了最为主流的多探头全电波暗室法MIMO天线性能测试评估方案,考虑到其系统成本高的缺点,对其进行了低复杂度优化设计,同时研究了如何将目前的二维多探头暗室扩展为三维多探头暗室来模拟具有俯仰角度扩展的三维信道环境；最后研究了低成本的辐射两阶段法MIMO-OTA测试方案,研究了终端芯片测量精度对其测试结果的影响,搭建了实际系统并进行了优化设计。本文主要创新工作有以下几点：第一,针对笔记本电脑类移动终端设计可以覆盖2.4GHz及5.2/5.8GHz双频段的MIMO天线系统。结合结构弯曲与耦合馈电技术来缩小天线尺寸并实现双频带覆盖,使用突出地结构以及T型槽结构来降低各个天线单元在不同频段范围内的互耦。基于上述思路设计得到的双天线系统在2.4GHz及5.2/5.8GHz频段上各天线单元间互耦可降至-18dB以下,且天线整体尺寸仅9mm x 40mm。基于上述双天线系统设计结果进一步组合设计了四天线单元和八天线单元MIMO天线系统,设计结果均可覆盖预期双频段,且各天线单元间互耦均可达到-15dB。第二,实际搭建了多探头全电波暗室MIMO-OTA测试系统,提出了多探头暗室系统的低复杂度优化设计方法,在满足暗室内信道环境模拟精度约束条件的前提下,通过优化选择用于信道模拟的探头子集,最小化系统使用的探头个数,从而降低系统中用于信道模拟和测试的通道个数,降低系统复杂度以及信道仿真器通道成本。实际测试结果表明,使用所提优化方法进行3GPP SCME信道模型下的MIMO-OTA测试,系统可以节省约40%的信道仿真器成本,且得到的测试结果与现有系统一致。第三,研究了多探头全电波暗室用于三维信道模型仿真时的探头辐射权值优化方案,并提出了三维多探头暗室中探头位置配置的优化设计方案。首先以最小化暗室中心测试区三维球面上信道相关因子模拟偏差为目标,优化求解了三维暗室内各个探头最优辐射权值向量；基于优化问题的求解,分析了三维暗室中水平探头环个数,探头环俯仰角位置,以及不同探头环上探头水平方位角等探头位置配置对暗室内三维信道模拟精度的影响,并根据标准中三维信道模型特性提出了三维多探头暗室内探头配置的优化设计方案。第四,研究了辐射两阶段法MIMO-OTA测试方案,通过信道容量仿真,分析了测试过程中终端天线方向图测量角度步进、幅度响应测量误差以及相位响应测量误差对MIMO-OTA测试结果的影响；实际搭建了辐射两阶段法测试系统,并设计了基于终端测量汇报的下行功率校准流程,部分消除终端方向图测量误差对MIMO-OTA测试结果的影响；对实际系统进行了信道相关性测试验证,使用实际终端比对了多探头全电波暗室系统以及辐射两阶段法系统的测试结果,结果表明所搭建辐射两阶段法系统可以准确模拟预期信道模型,并有效区分终端MIMO天线性能的优劣。
【关键词】：多天线终端 天线设计 空口测试 信道模型
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN820
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 缩写符号对照表16-17
• 数学符号对照表17-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 引言18-20
• 1.2 多天线终端MIMO天线设计20-21
• 1.3 终端MIMO天线性能测试方法及研究现状21-23
• 1.4 创新性工作和章节安排23-26
• 第二章 小型化高隔离度MIMO天线的设计研究26-42
• 2.1 引言26-28
• 2.2 双天线系统设计方案28-30
• 2.3 四天线系统与八天线系统设计30-37
• 2.4 仿真与测试结果37-41
• 2.5 小结41-42
• 第三章 多探头暗室MIMO-OTA系统的低复杂度优化设计42-60
• 3.1 引言42-44
• 3.2 系统结构44-45
• 3.3 探头选择优化方法45-50
• 3.3.1 信道模拟目标46-47
• 3.3.2 探头辐射功率向量优化47-48
• 3.3.3 探头组合优化48-50
• 3.4 仿真和测试结果50-58
• 3.4.1 仿真结果及分析50-55
• 3.4.2 实测验证结果55-58
• 3.5 小结58-60
• 第四章 多探头暗室中三维信道模型模拟的研究60-75
• 4.1 引言60-62
• 4.2 三维暗室中的探头辐射权值优化方法62-64
• 4.3 三维暗室系统中的探头位置优化与分析64-71
• 4.3.1 探头环垂直角度间隔65-67
• 4.3.2 各个探头环上探头个数比例67-70
• 4.3.3 不同探头环上探头水平方位角70-71
• 4.4 三维信道模型的空间相关性验证71-73
• 4.5 小结73-75
• 第五章 辐射两阶段法分析与系统建设验证75-90
• 5.1 引言75-77
• 5.2 系统框架与测试流程77-79
• 5.3 天线方向图测量参数分析79-83
• 5.4 系统搭建及实测验证83-88
• 5.4.1 方向图测量及下行功率校准84-85
• 5.4.2 信道空间相关性验证85-87
• 5.4.3 吞吐量实测验证87-88
• 5.5 小结88-90
• 结束语90-92
• 参考文献92-98
• 攻读博士学位期间取得的研究成果98-99
• 致谢99-100
• 作者简介100

【共引文献】

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1 邓q，

本文编号：295598