楊亞冬

（中通服網(wǎng)盈科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)高性能無(wú)線通信系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)。在此背景下，小型化多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）天線通過(guò)在有限空間內(nèi)布局多個(gè)天線元素，顯著提高無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，并改善系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量。然而，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能的小型化MIMO 天線面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括在緊湊設(shè)計(jì)中保持天線元素間的高隔離性、優(yōu)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(gòu)天線技術(shù)的發(fā)展，集成化與模塊化設(shè)計(jì)成為實(shí)現(xiàn)高效、靈活通信網(wǎng)絡(luò)的重要方法。

1 小型化MIMO 天線的設(shè)計(jì)要求與技術(shù)挑戰(zhàn)

小型化MIMO 天線的設(shè)計(jì)要求在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)天線元素的布局，以支持MIMO 技術(shù)，從而提高無(wú)線通信系統(tǒng)的效率，并擴(kuò)大系統(tǒng)容量。小型化MIMO 天線設(shè)計(jì)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)不僅包括如何保持天線元素之間的高隔離性來(lái)防止互相干擾、如何優(yōu)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(wěn)定性和可靠性。在實(shí)現(xiàn)多頻段支持的同時(shí)，要克服由于天線尺寸減小帶來(lái)的增益和效率的潛在損失。這需要采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，如使用特殊的天線結(jié)構(gòu)和饋電技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在緊湊空間內(nèi)的高性能MIMO 天線設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)的重要性

設(shè)計(jì)多頻帶天線使天線能夠在多個(gè)頻段中工作，覆蓋5G 網(wǎng)絡(luò)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(yīng)不同的通信環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景，如城市密集區(qū)域的高速數(shù)據(jù)傳輸和廣闊農(nóng)村地區(qū)的廣域覆蓋[1]。同時(shí)，多頻帶天線設(shè)計(jì)有助于提高頻譜利用率，通過(guò)在多個(gè)頻段中同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，可以顯著提升網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量和用戶體驗(yàn)。此外，多頻帶天線設(shè)計(jì)在兼容現(xiàn)有技術(shù)的同時(shí)預(yù)留對(duì)未來(lái)技術(shù)的擴(kuò)展性，從而保障投資的長(zhǎng)期有效性。

1.2 高隔離特性的實(shí)現(xiàn)方法

在MIMO 天線系統(tǒng)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(hào)質(zhì)量，擴(kuò)大系統(tǒng)容量。例如，通過(guò)調(diào)整天線元素之間的距離和角度，利用天線陣列的對(duì)稱性或設(shè)計(jì)特殊的天線形狀來(lái)物理隔離各個(gè)天線單元。此外，技術(shù)人員通過(guò)在天線之間添加隔離元件、使用去耦網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用電磁場(chǎng)帶隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)分裂環(huán)諧振器（Complementary Split Ring Resonators，CSRRs）等手段來(lái)進(jìn)一步提高隔離性。這些方法通過(guò)減少電磁波的相互耦合和干擾，有效提升MIMO 系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，對(duì)天線設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)的電磁仿真分析和優(yōu)化，確保在緊湊的空間內(nèi)達(dá)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(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，通常采用具有低損耗和適中的相對(duì)介電常數(shù)的材料。FR-4 是一種常見(jiàn)的基板材料，具有約4.5 的相對(duì)介電常數(shù)和0.02 的損耗正切值，適用于低成本和中等性能要求的應(yīng)用場(chǎng)景。更高端的應(yīng)用可以采用具有損耗正切（約0.001 5）和更強(qiáng)的頻率穩(wěn)定性的RT/duroid 或Taconic 等材料，但成本相對(duì)較高。在制造工藝方面，精密的光刻技術(shù)對(duì)于多頻帶和寬帶天線設(shè)計(jì)尤為重要，其可以精確控制天線。例如，使用微帶線技術(shù)可以精確控制天線尺寸，其制造公差一般在±0.02 mm 范圍內(nèi)。此外，射頻（Radio Frequency，RF）噴墨打印和3D 打印技術(shù)為天線設(shè)計(jì)提供更大的靈活性，可以制造復(fù)雜形狀和多層結(jié)構(gòu)的天線，減小天線尺寸的同時(shí)提升天線性能[2]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，緊湊型天線設(shè)計(jì)越來(lái)越多地采用高性能材料和先進(jìn)制造技術(shù)，如使用具有超低損耗和高介電常數(shù)的陶瓷材料，以及采用射頻燒結(jié)和激光直寫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的精度和更復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)。

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(shè)計(jì)和制造過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的效率。高輻射效率意味著天線能夠?qū)⒏嗟妮斎牍β兽D(zhuǎn)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(yōu)化涉及天線的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)中，由于空間限制和多元素集成的復(fù)雜性，難以保持高輻射效率，但通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，可以有效克服這些難題。

1.5 帶寬性能

對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)而言，帶寬性能直接影響數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)質(zhì)量。天線的帶寬越寬，其能夠適應(yīng)的信號(hào)類型就越多，能夠支持的通信協(xié)議和應(yīng)用越廣泛。設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)或使用非傳統(tǒng)材料，優(yōu)化帶寬性能。匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也對(duì)帶寬性能有重要影響，通過(guò)優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)，可以改善天線的輸入阻抗特性，從而在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，提高天線的輻射效率，并增強(qiáng)信號(hào)接收能力。

2 小型化MIMO 天線在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶應(yīng)用中的性能評(píng)估

小型化MIMO 天線在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）應(yīng)用中，信封相關(guān)系數(shù)（Envelope Correlation Coefficient，ECC）、多樣性增益（Diversity Gain，DG）、總有效反射系數(shù)（Total Active Reflection Coefficient，TARC）以及信道容量損失（Channel Capacity Loss，CCL）等性能參數(shù)均為評(píng)估天線在實(shí)際應(yīng)用中性能的重要指標(biāo)，可以直接反映天線設(shè)計(jì)的優(yōu)越性及其在實(shí)際通信系統(tǒng)中的表現(xiàn)。ECC 值低于0.1 通常被認(rèn)為是優(yōu)良的MIMO 天線設(shè)計(jì)，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(hào)質(zhì)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(yōu)異的通信能力。通過(guò)精確測(cè)量和分析這些參數(shù)，可以全面評(píng)估小型化MIMO 天線在eMBB 場(chǎng)景下的性能，確保其滿足5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠性的嚴(yán)格要求。

2.1 性能參數(shù)的測(cè)量與分析

ECC 通過(guò)計(jì)算天線元素間的相關(guān)性來(lái)評(píng)估天線系統(tǒng)的性能和信號(hào)重疊度。理想情況下，ECC 值應(yīng)低于0.1，以確保天線元素之間的低相關(guān)性，從而減少相互干擾。在eMBB 應(yīng)用中，小型化MIMO 天線設(shè)計(jì)的核心在于其性能參數(shù)的測(cè)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(píng)估MIMO天線性能的參數(shù)之一。ECC 衡量不同天線端口之間的信號(hào)相關(guān)性，對(duì)于保證通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量至關(guān)重要。理想情況下，MIMO 天線的ECC 值應(yīng)接近于0，這表明各個(gè)天線端口之間的信號(hào)幾乎不相關(guān)，從而最大化系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。通過(guò)精密的設(shè)計(jì)和仿真分析，小型化MIMO 天線能夠在保持較低ECC值的同時(shí)，高效利用空間資源，進(jìn)而顯著提升eMBB系統(tǒng)的整體性能。

DG 是衡量MIMO 系統(tǒng)在多徑環(huán)境中性能的重要指標(biāo)。DG 高于10 dB 表示天線能在復(fù)雜環(huán)境中提供較好的信號(hào)質(zhì)量與接收性能。DG 的計(jì)算方式涉及天線的方向圖和信號(hào)到達(dá)角度，具體計(jì)算依賴于天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。TARC 是評(píng)估天線系統(tǒng)整體匹配性能的指標(biāo)，TARC 值低于-10 dB 表示天線具有良好的輻射效率。

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

通過(guò)精確測(cè)量和分析這些參數(shù)，能夠全面評(píng)價(jià)小型化MIMO 天線在eMBB 場(chǎng)景下的實(shí)際性能，確保其滿足5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)可靠性的要求。

2.2 多頻帶天線的優(yōu)化策略

在天線設(shè)計(jì)中集成多個(gè)共振器，每個(gè)共振器針對(duì)特定頻段優(yōu)化，可以覆蓋多個(gè)頻段。具體設(shè)計(jì)時(shí)，需要精確調(diào)整共振器的尺寸和位置，以達(dá)到所需的頻率響應(yīng)。頻率再配置技術(shù)是多頻帶天線設(shè)計(jì)中的優(yōu)化策略之一。天線通過(guò)集成可變電容或正型-本征-負(fù)型（Positive-Intrinsic-Negative，PIN）二極管等可調(diào)元件，動(dòng)態(tài)調(diào)整工作頻段，以適應(yīng)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(shí)對(duì)電路設(shè)計(jì)提出更高的要求，如對(duì)可調(diào)元件的控制和整體系統(tǒng)的電源管理。此外，采用高效的饋電技術(shù)和匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)于優(yōu)化多頻帶天線性能至關(guān)重要。適當(dāng)?shù)酿侂娊Y(jié)構(gòu)和匹配網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜的阻抗匹配技術(shù)，要求設(shè)計(jì)人員進(jìn)行精細(xì)的電路仿真和優(yōu)化。采用先進(jìn)的材料和制造技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)多頻帶天線性能優(yōu)化的關(guān)鍵內(nèi)容。例如，使用具有低損耗和高介電常數(shù)的材料減小天線尺寸，同時(shí)保持良好的電磁性能，適用于緊湊型多頻帶設(shè)計(jì)。利用微加工技術(shù)和3D 打印等先進(jìn)制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)和更精細(xì)的尺寸控制，從而優(yōu)化天線的性能和多頻帶覆蓋能力。

2.3 實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的性能驗(yàn)證

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，需要進(jìn)行性能驗(yàn)證，即通過(guò)一系列定量的測(cè)試來(lái)衡量天線的實(shí)際表現(xiàn)，包括但不限于輻射效率、帶寬、增益以及在特定環(huán)境下的通信質(zhì)量。通常在無(wú)反射室內(nèi)進(jìn)行輻射效率的測(cè)量，使用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)接近或超過(guò)85%，以確保天線的能量轉(zhuǎn)換效率較高。帶寬與天線能夠支持的數(shù)據(jù)傳輸速率密切相關(guān)。在多頻帶天線設(shè)計(jì)中，需要確保每個(gè)工作頻段的帶寬都滿足特定的通信標(biāo)準(zhǔn)。例如，一個(gè)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)傳輸。增益是衡量天線接收或發(fā)射信號(hào)能力的指標(biāo)，單位為dBi。對(duì)于小型化MIMO 天線，增益的測(cè)量需要考慮每個(gè)天線元素和整個(gè)陣列的性能。理想的MIMO 天線設(shè)計(jì)中，每個(gè)天線元素的增益高于5 dBi，以優(yōu)化信號(hào)覆蓋范圍和質(zhì)量。在特定的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，如城市或農(nóng)村地環(huán)境，天線的性能驗(yàn)證需要考慮多路徑效應(yīng)、建筑物遮擋等因素對(duì)信號(hào)傳播的影響。通過(guò)在這些環(huán)境下進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，可以獲得信號(hào)覆蓋范圍、信道容量以及用戶體驗(yàn)等數(shù)據(jù)。例如，通過(guò)實(shí)地測(cè)試揭示在城市環(huán)境中，天線的CCL 保持在0.3 bits·s-1·Hz-1以下，通信質(zhì)量良好。

通過(guò)測(cè)試和分析這些定量參數(shù)，可以全面評(píng)估小型化MIMO 天線在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的性能，確保設(shè)計(jì)滿足5G 及未來(lái)通信技術(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)為天線設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，確保天線能在不同的應(yīng)用環(huán)境中提供穩(wěn)定、高效的通信服務(wù)。

3 小型化MIMO 天線的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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(shù)據(jù)速率傳輸?shù)年P(guān)鍵。然而，這一拓展面臨著顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括信號(hào)的傳播損耗顯著增加、大氣吸收效應(yīng)以及設(shè)備的能量效率問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，研究人員正在開發(fā)新的天線設(shè)計(jì)理念、材料、制造技術(shù)，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(shù)、開發(fā)新型低損耗材料以及利用微納加工技術(shù)制造緊湊型高性能天線。此外，天線系統(tǒng)的集成和多功能性也是實(shí)現(xiàn)高頻通信系統(tǒng)可行性的關(guān)鍵因素。

3.2 智能可重構(gòu)天線技術(shù)的應(yīng)用

智能可重構(gòu)天線技術(shù)允許通過(guò)軟件控制動(dòng)態(tài)修改天線的電氣特性，以適應(yīng)不同的操作頻率、輻射模式或波束方向。智能可重構(gòu)天線依賴集成的可變?cè)?，如可變電容器、PIN 二極管或微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)其重構(gòu)功能。這樣天線可以根據(jù)信號(hào)環(huán)境或通信需求的變化，優(yōu)化其性能，如擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍、增強(qiáng)信號(hào)接收質(zhì)量或減少干擾。該技術(shù)的應(yīng)用不僅可以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，而且可以提升頻譜利用率和能量效率[4-5]。智能可重構(gòu)天線對(duì)于支持多模多頻、實(shí)現(xiàn)高效的頻譜共享以及滿足未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸需求至關(guān)重要。

3.3 集成化與模塊化設(shè)計(jì)趨勢(shì)

集成化設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)效率，降低制造成本。模塊化設(shè)計(jì)允許各個(gè)組件以模塊形式獨(dú)立設(shè)計(jì)和測(cè)試，并根據(jù)特定應(yīng)用需求組合在一起，提供高度的靈活性和可擴(kuò)展性，使天線系統(tǒng)可以輕松適應(yīng)不同的技術(shù)和市場(chǎng)需求。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化升級(jí)和維護(hù)過(guò)程，有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并降低整體成本。

4 小型化MIMO 天線的實(shí)際部署與應(yīng)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(dòng)設(shè)備，支持密集的網(wǎng)絡(luò)需求和高數(shù)據(jù)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(yīng)用波束成形技術(shù)，從而優(yōu)化信號(hào)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容量。這種部署策略不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)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(huán)境中，小型化MIMO 天線通過(guò)支持大量并發(fā)連接和降低延遲，為用戶提供無(wú)縫的高速數(shù)據(jù)服務(wù)，滿足流媒體視頻、高速下載、云服務(wù)等應(yīng)用的需求。這一應(yīng)用案例表明小型化MIMO 天線技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高效、高容量城市通信網(wǎng)絡(luò)方面具有關(guān)鍵作用。

5 結(jié) 論

小型化MIMO 天線技術(shù)作為無(wú)線通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重要進(jìn)展，在提升網(wǎng)絡(luò)容量、增加數(shù)據(jù)傳輸速率以及優(yōu)化頻譜利用率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。文章深入分析小型化MIMO 天線技術(shù)設(shè)計(jì)原理、技術(shù)挑戰(zhàn)、多頻帶優(yōu)化策略以及智能可重構(gòu)技術(shù)。通過(guò)精確測(cè)量和分析相關(guān)性能參數(shù)，確保小型化MIMO 天線技術(shù)在eMBB 場(chǎng)景下可以滿足5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠性的嚴(yán)格要求。