第五代（fifth-generation,5G）通信系統(tǒng)將采用sub-6 GHz（頻率低于6 GHz）頻段和毫米波（millimeter-wave,mm Wave）頻段的無線電信號。由于sub-6 GHz頻段的無線電信號具有更低傳輸損耗的優(yōu)勢,它將在5G通信系統(tǒng)中扮演重要的角色,因此本文研究sub-6 GHz頻段的終端MIMO（multiple-input and multiple-output）天線關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)可以顯著提高無線通信系統(tǒng)的信道容量。然而現(xiàn)有的MIMO天線陣列面臨（1）多頻段覆蓋、（2）高隔離度、（3）抗金屬環(huán)境的挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn),本文提出了“混合模式”、“低損模式調(diào)節(jié)”和“多自由度去耦合”理念。在上述一個或多個理念的指導下,本文提出了三款新型MIMO天線陣列,克服了當前5G通信系統(tǒng)中終端MIMO天線陣列面臨的挑戰(zhàn)。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）的雙頻8單元5G手機MIMO天線陣列。天線陣列中的天線單元包含1個L形開口槽天線（... 

【文章來源】：上海大學上海市 211工程院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

MIMO技術(shù)與波束賦形技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的應用世界各國將sub-6GHz頻段作為商用5G的早期部署頻段[6]，具體頻段劃分如圖1.2所示

上海大學博士學位論文2擇3.55-GHz頻段（3.4–3.7GHz）用于未來的5G通信網(wǎng)絡(luò)部署，日本將3.6–4.2GHz、4.4–4.9GHz頻段用于未來5G通信系統(tǒng)部署。此外，LTEband46（5.15–5.925GHz）作為目前還未被授權(quán)的頻譜，也被認為是未來5G部署的重要通信頻段[9]。目前，全世界都在研究基于上述頻段的基站和終端解決方案。如何實現(xiàn)基站和終端天線的高性能是當前學術(shù)界迫切需要解決的問題。本論文集中在終端天線方面的研究。圖1.2世界各國對于sub-6GHz頻段的部署1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀終端天線是連接移動設(shè)備與空間的核心部件，其關(guān)鍵技術(shù)的研究對于5G通信系統(tǒng)性能的提升具有重要意義。圖1.3給出了5G手機中終端天線的布局。由于5G低頻（sub-6GHz）和高頻（毫米波）天線的形式有較大差異，因此圖1.3分別給出了兩種天線共存的布局[10]以及低頻天線布局[11]方案，上述兩種方案分別用于5G中后期和初期。由圖1.3(a)可知，4G主天線（LTE1、LTE2、LTE3和LTE4）分布在手機兩個短邊附近，毫米波天線陣列（mm-Wavearray）分布在靠近手機兩個短邊的區(qū)域。手機的中心區(qū)域需放置具有金屬特性的鋰電池，sub-6GHzMIMO天線陣列通常需要與鋰電池保持一定距離，因此sub-6GHzMIMO天線陣列分布在靠近手機兩個長邊的狹小區(qū)域。由圖1.3(b)可知，應用于5G的sub-6GHz天線、主天線（2G、3G和4G天線）和功能拓展天線（Wi-Fi、BT、GPS和NFC天線）緊湊分布在手機的短邊與長邊附近。上述多天線系統(tǒng)總共有21個天線，其中14個天線工作于5G頻段。通過觀察天線結(jié)構(gòu)可知，低頻段天線采用傳統(tǒng)的電小天線，如PIFA天線和環(huán)天線等。此外，通過和1.3(a)的布局方案相比可得，1.3(b)中的天線布局還未充分利用手機長邊區(qū)域。未來的多天線系統(tǒng)將引入更多的sub-6GHz天線，以提升其在5G通信系統(tǒng)中的MIMO性能。

上海大學博士學位論文3圖1.35G手機中終端天線的布局：(a)低頻和高頻天線布局(b)低頻天線布局由前文可知，為了提升MIMO通信系統(tǒng)的信道容量和頻譜利用率，在手機狹小區(qū)域中需要布局多個sub-6GHz頻段的天線單元（一般不少于8個）。然而，天線單元之間的間距往往較小，這使得它們之間存在嚴重的耦合，影響天線陣列的整體性能。天線單元還需覆蓋多個5G頻段以通過載波聚合技術(shù)提升MIMO通信系統(tǒng)的傳輸速率。然而，天線單元采用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)多頻段通常會顯著增加尺寸，拉近天線單元的間距。這會加劇天線單元之間的耦合，惡化天線陣列的總體性能。因此，sub-6GHzMIMO天線陣列面臨多頻段、小型化和去耦合的挑戰(zhàn)。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，移動終端的環(huán)境發(fā)生了顯著變化。以手機為例，現(xiàn)有的終端設(shè)備主要分為非金屬環(huán)境（以Nokia手機為例）[12]和金屬環(huán)境（以iPhone手機為例）[13]，如圖1.4所示。其中，非金屬環(huán)境以塑料（plasticframe）邊框手機為代表，金屬環(huán)境以金屬邊框（metalframe）手機為代表。對于非金屬環(huán)境終端天線陣列，它們需要克服上文指出的挑戰(zhàn)。即實現(xiàn)多頻段和小型化，同時保證天線陣列具有較高的隔離度。而對于金屬環(huán)境終端天線陣列，它們還需克服金屬環(huán)境的影響。然而，克服金屬環(huán)境影響的天線陣列實現(xiàn)多頻段和小型化，并實現(xiàn)較高隔離度很有挑戰(zhàn)。圖1.4手機環(huán)境：(a)非金屬環(huán)境，(b)金屬環(huán)境


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