5G通信中终端MIMO天线关键技术研究
发布时间：2021-06-08 12:12
第五代（fifth-generation,5G）通信系统将采用sub-6 GHz（频率低于6 GHz）频段和毫米波（millimeter-wave,mm Wave）频段的无线电信号。由于sub-6 GHz频段的无线电信号具有更低传输损耗的优势,它将在5G通信系统中扮演重要的角色,因此本文研究sub-6 GHz频段的终端MIMO（multiple-input and multiple-output）天线关键技术。MIMO技术可以显著提高无线通信系统的信道容量。然而现有的MIMO天线阵列面临（1）多频段覆盖、（2）高隔离度、（3）抗金属环境的挑战。针对上述挑战,本文提出了“混合模式”、“低损模式调节”和“多自由度去耦合”理念。在上述一个或多个理念的指导下,本文提出了三款新型MIMO天线阵列,克服了当前5G通信系统中终端MIMO天线阵列面临的挑战。首先,提出了一款工作于LTE（long term evolution）band 42（3.4–3.6 GHz）和LTE band 46（5.15–5.925 GHz）的双频8单元5G手机MIMO天线阵列。天线阵列中的天线单元包含1个L形开口槽天线（...
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
MIMO技术与波束赋形技术在5G网络中的应用世界各国将sub-6GHz频段作为商用5G的早期部署频段[6]，具体频段划分如图1.2所示
上海大学博士学位论文2择3.55-GHz频段（3.4–3.7GHz）用于未来的5G通信网络部署，日本将3.6–4.2GHz、4.4–4.9GHz频段用于未来5G通信系统部署。此外，LTEband46（5.15–5.925GHz）作为目前还未被授权的频谱，也被认为是未来5G部署的重要通信频段[9]。目前，全世界都在研究基于上述频段的基站和终端解决方案。如何实现基站和终端天线的高性能是当前学术界迫切需要解决的问题。本论文集中在终端天线方面的研究。图1.2世界各国对于sub-6GHz频段的部署1.2国内外研究现状终端天线是连接移动设备与空间的核心部件，其关键技术的研究对于5G通信系统性能的提升具有重要意义。图1.3给出了5G手机中终端天线的布局。由于5G低频（sub-6GHz）和高频（毫米波）天线的形式有较大差异，因此图1.3分别给出了两种天线共存的布局[10]以及低频天线布局[11]方案，上述两种方案分别用于5G中后期和初期。由图1.3(a)可知，4G主天线（LTE1、LTE2、LTE3和LTE4）分布在手机两个短边附近，毫米波天线阵列（mm-Wavearray）分布在靠近手机两个短边的区域。手机的中心区域需放置具有金属特性的锂电池，sub-6GHzMIMO天线阵列通常需要与锂电池保持一定距离，因此sub-6GHzMIMO天线阵列分布在靠近手机两个长边的狭小区域。由图1.3(b)可知，应用于5G的sub-6GHz天线、主天线（2G、3G和4G天线）和功能拓展天线（Wi-Fi、BT、GPS和NFC天线）紧凑分布在手机的短边与长边附近。上述多天线系统总共有21个天线，其中14个天线工作于5G频段。通过观察天线结构可知，低频段天线采用传统的电小天线，如PIFA天线和环天线等。此外，通过和1.3(a)的布局方案相比可得，1.3(b)中的天线布局还未充分利用手机长边区域。未来的多天线系统将引入更多的sub-6GHz天线，以提升其在5G通信系统中的MIMO性能。
上海大学博士学位论文3图1.35G手机中终端天线的布局：(a)低频和高频天线布局(b)低频天线布局由前文可知，为了提升MIMO通信系统的信道容量和频谱利用率，在手机狭小区域中需要布局多个sub-6GHz频段的天线单元（一般不少于8个）。然而，天线单元之间的间距往往较小，这使得它们之间存在严重的耦合，影响天线阵列的整体性能。天线单元还需覆盖多个5G频段以通过载波聚合技术提升MIMO通信系统的传输速率。然而，天线单元采用传统方法实现多频段通常会显著增加尺寸，拉近天线单元的间距。这会加剧天线单元之间的耦合，恶化天线阵列的总体性能。因此，sub-6GHzMIMO天线阵列面临多频段、小型化和去耦合的挑战。随着通信技术的快速发展，移动终端的环境发生了显著变化。以手机为例，现有的终端设备主要分为非金属环境（以Nokia手机为例）[12]和金属环境（以iPhone手机为例）[13]，如图1.4所示。其中，非金属环境以塑料（plasticframe）边框手机为代表，金属环境以金属边框（metalframe）手机为代表。对于非金属环境终端天线阵列，它们需要克服上文指出的挑战。即实现多频段和小型化，同时保证天线阵列具有较高的隔离度。而对于金属环境终端天线阵列，它们还需克服金属环境的影响。然而，克服金属环境影响的天线阵列实现多频段和小型化，并实现较高隔离度很有挑战。图1.4手机环境：(a)非金属环境，(b)金属环境
本文编号：3218424
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
MIMO技术与波束赋形技术在5G网络中的应用世界各国将sub-6GHz频段作为商用5G的早期部署频段[6]，具体频段划分如图1.2所示
上海大学博士学位论文2择3.55-GHz频段（3.4–3.7GHz）用于未来的5G通信网络部署，日本将3.6–4.2GHz、4.4–4.9GHz频段用于未来5G通信系统部署。此外，LTEband46（5.15–5.925GHz）作为目前还未被授权的频谱，也被认为是未来5G部署的重要通信频段[9]。目前，全世界都在研究基于上述频段的基站和终端解决方案。如何实现基站和终端天线的高性能是当前学术界迫切需要解决的问题。本论文集中在终端天线方面的研究。图1.2世界各国对于sub-6GHz频段的部署1.2国内外研究现状终端天线是连接移动设备与空间的核心部件，其关键技术的研究对于5G通信系统性能的提升具有重要意义。图1.3给出了5G手机中终端天线的布局。由于5G低频（sub-6GHz）和高频（毫米波）天线的形式有较大差异，因此图1.3分别给出了两种天线共存的布局[10]以及低频天线布局[11]方案，上述两种方案分别用于5G中后期和初期。由图1.3(a)可知，4G主天线（LTE1、LTE2、LTE3和LTE4）分布在手机两个短边附近，毫米波天线阵列（mm-Wavearray）分布在靠近手机两个短边的区域。手机的中心区域需放置具有金属特性的锂电池，sub-6GHzMIMO天线阵列通常需要与锂电池保持一定距离，因此sub-6GHzMIMO天线阵列分布在靠近手机两个长边的狭小区域。由图1.3(b)可知，应用于5G的sub-6GHz天线、主天线（2G、3G和4G天线）和功能拓展天线（Wi-Fi、BT、GPS和NFC天线）紧凑分布在手机的短边与长边附近。上述多天线系统总共有21个天线，其中14个天线工作于5G频段。通过观察天线结构可知，低频段天线采用传统的电小天线，如PIFA天线和环天线等。此外，通过和1.3(a)的布局方案相比可得，1.3(b)中的天线布局还未充分利用手机长边区域。未来的多天线系统将引入更多的sub-6GHz天线，以提升其在5G通信系统中的MIMO性能。
上海大学博士学位论文3图1.35G手机中终端天线的布局：(a)低频和高频天线布局(b)低频天线布局由前文可知，为了提升MIMO通信系统的信道容量和频谱利用率，在手机狭小区域中需要布局多个sub-6GHz频段的天线单元（一般不少于8个）。然而，天线单元之间的间距往往较小，这使得它们之间存在严重的耦合，影响天线阵列的整体性能。天线单元还需覆盖多个5G频段以通过载波聚合技术提升MIMO通信系统的传输速率。然而，天线单元采用传统方法实现多频段通常会显著增加尺寸，拉近天线单元的间距。这会加剧天线单元之间的耦合，恶化天线阵列的总体性能。因此，sub-6GHzMIMO天线阵列面临多频段、小型化和去耦合的挑战。随着通信技术的快速发展，移动终端的环境发生了显著变化。以手机为例，现有的终端设备主要分为非金属环境（以Nokia手机为例）[12]和金属环境（以iPhone手机为例）[13]，如图1.4所示。其中，非金属环境以塑料（plasticframe）边框手机为代表，金属环境以金属边框（metalframe）手机为代表。对于非金属环境终端天线阵列，它们需要克服上文指出的挑战。即实现多频段和小型化，同时保证天线阵列具有较高的隔离度。而对于金属环境终端天线阵列，它们还需克服金属环境的影响。然而，克服金属环境影响的天线阵列实现多频段和小型化，并实现较高隔离度很有挑战。图1.4手机环境：(a)非金属环境，(b)金属环境
本文编号：3218424
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3218424.html
