一种应用于4G/5G频段的新型8×8频率可重构MIMO系统设计

祁钰 许一虎

摘   要：文章提出一种可应用于4G/5G工作频段且应用分集技术解耦的8×8频率可重构MIMO系统。八天线阵列中包括4个可切换于2.6 GHz频段和3.5 GHz频段的频率可重构天线模块以及4个应用于3.5 GHz频段的5G模块。由于频率可重构技术的应用，该系统可满足网络传输速率等多种要求，进一步提高终端设备的空间利用率和系统应用的灵活性。文章给出了MIMO系统切换前后的S参数和包络相关系数等参数的计算结果，结果显示出多天线阵列的可应用性。

关键词：频率可重构技术;多天线阵列;多输入多输出;分集技术;5G通信

现如今，5G网络已经逐渐商用，对于5G应用技术的改良与完善从未止步[1-2]。毫无疑问，传输速率一直是5G通信的核心要求之一。多天线阵列的应用是实现多输入多输出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）系统的有力手段，可以有效扩展信道容量、提升链路可靠性、提升通信速率[3]。因此，在5G通信的亚6 GHz领域被广泛应用。对于大规模MIMO技术而言，天线应用数量越多，存在的问题越多，例如大尺寸、天线带宽、天线单元互耦以及多频段应用等问题。也会导致一些针对终端设备本身的问题的产生，例如，众多天线共同工作会增加终端电池系统的负荷，影响移动终端设备的待机时长。

在传统的天线模块设计中，对于应用频段，通常是针对单一频段设计。随着通信频段的不断增加，势必要使终端设备完成更多频段的应用[4]，这就会导致设备空间的进一步恶化。因此，对于天线的多频化应用，若利用频率可重构技术，使一个天线模块既满足4G频段的工作需求又可以在5G频段应用[5]，则该多模式共存模块可大大提高其工作灵活性和终端设备的空间利用率。此外，对于天线间解耦技术的选择主要可分为两大类：增加解耦结构和使用分集技术。增加解耦结构的方法需要较为精准的计算，并且需要额外引入空间安置相关电路设计。分集技术则不需要增加额外的解耦结构，仅在辐射体自身进行改变，在保证天线单元间隔离度性能的同时，在一定程度上降低电路复杂度。

本研究利用MIMO技术与分集技术，设计并仿真了一个可在4G/5G频段切换的8×8频率可重构MIMO系统。其中，4G频段针对LTE2600频段，而5G网络传输应用则覆盖3.4～3.6 GHz。此八天线阵列可满足1～4个4G模块接入以及4～8个5G模块接入，灵活搭配，可满足网络传输以及天线应用的多种要求。本研究分析了八天线阵列在频段改变前后的S参数和包络相关系数（Envelope Correlation Coefficient，ECC）等计算结果。结果显示了系统的可应用性。

1    8×8频率可重构MIMO系统设计

利用4个本研究设计的频率可重构天线结合5G模块，利用分集技术设计了新的8×8频率可重构MIMO系统。八天线阵列利用一个FR4基板作为系统电路板（140 mm×70 mm）。系统金属接地平面尺寸与系统电路板相同，并且在其上预留了8个16 mm×3 mm的矩形空间以适应配合八天线阵列中的8个天线模块（Ant 1-Ant 8）。天线沿电路板长边放置，同侧天线间距为22 mm，如图1所示。

其中，Ant 1，Ant 4，Ant 5和Ant 8为本研究提出的4G/5G频率可重构天线，它们的存在使得八天线阵列可以有多种天线搭配方案。天线为弯曲单极带形态，包括调谐短柱和馈电端。弯曲单极带是辐射部分。调谐短柱可以依靠调节其延伸长度，微调工作频率与S参数。馈电端则为辐射体提供激励。当频率可重构天线切换至2.6 GHz频段时，辐射体尺寸为3 mm×21 mm，弯曲带总长度为45 mm。调谐短柱经优化设计后尺寸为0.63 mm。当辐射体应用于3.5 GHz时，辐射体总尺寸为3 mm×16 mm，弯曲带总长度为35 mm。此时，调谐短柱仅为0.3 mm。此外，辐射体结构中存在5个开关，分为两组，利用开关开合控制整个辐射体的接入长度，进而控制辐射体应用频段。开关状态配置如表1所示。

2    结果与分析

对此8×8频率可重构天线阵列进行设计分析。由于频率可重构技术的应用，八天线阵列存在多种天线应用方案。本研究对于两种最典型的情况进行了分析。Case1是使频率可重构天线全部应用于4G频段。Ant 1，Ant 4，Ant 5与Ant 8分别为Ant4g1-Ant4g4，Ant 2，Ant 3，Ant 6与Ant 7分别为Ant5g1—Ant5g4。此时，八天线阵列包括4个4G天线模块和4个5G天线模块，因此，分析时需对两个频段分别进行仿真分析。Case2是使频率可重构天线应用于5G频段。此时配合单一5G模塊，MIMO系统共有8个5G模块接入。由于八天线模块安置方式呈对称分布，因此，仅对电路板左侧4个天线进行仿真计算分析。

Case1下8×8频率可重构MIMO系统在两个频段下的模拟S参数计算结果如图2所示，其中，图2（a）表示中心频率为2.6 GHz的情况，图2（b）表示中心频率为3.5 GHz的情况。Case1下MIMO系统在两个频段中的ECC计算结果如图3所示。

Ant4g1与Ant4g2的回波损耗（S11，S22）如图2（a）所示，两者均较好，中心频率处可达﹣15 dB，且Ant4g1具有更为良好的阻抗匹配程度。此外，圆节点实线则表示了Ant4g1与Ant4g2之间的天线隔离度。在所期望的工作波段内，天线间的相关度优于﹣28 dB，较好处在﹣30 dB以下。由图3可知，系统在2.6 GHz频段上的包络相关系数均低于0.05，分集现象明显。此时的5G天线在3.5 GHz上的反射系数（S11，S22，图中实线部分）优于﹣15 dB，如图2（b）所示。对于在期望频段内的天线隔离度而言，Ant5g2与Ant4g1之间的相关度低于﹣18 dB，Ant5g2与Ant5g3之间的隔离度优于﹣13 dB。仿真的结果与所期望的较为吻合。由图3可知，系统在3.5 GHz频段内的ECC计算结果趋近于0，说明在此种天线阵列搭配之下，各天线模块可做到各司其职。

Case2中八天線阵列在3.4～3.6 GHz频段的S参数和ECC计算结果如图4所示。其中，图4（a）给出S参数结果，图4（b）则表示ECC计算结果。

Ant5g1—Ant5g4的反射系数均优于﹣22 dB，如图4（a）所示。其中，Ant5g4天线单元的反射系数最佳，在中心频段处低至﹣27 dB。一部分原因在于它的安置方向以及位置对其性能产生了正向作用。此外，图4仅给出了相邻天线单元间隔离度参数的仿真计算结果，并且模拟隔离度结果（S21，S32，S43）在中心频率处均优于﹣12 dB。天线相关系数结果也可以证明Ant4的安置方向对于天线隔离度基本没有改变作用。由图4（b）可知，此八天线阵列的各个天线模块性能优良，相关度低，天线解耦效果良好。根据计算结果可知，MIMO系统在3.5 GHz频段中的ECC均低于0.1，性能较好，可满足通信应用要求。

此外，为进一步验证MIMO系统解耦应用的分集技术，图5给出了八天线阵列中应用的频率可重构天线Ant 1在切换于4G/5G频段时的辐射方向。其中，图5（a）和图5（b）分别表示系统应用于2.6 GHz和3.5 GHz频段的情况。

由于两种模块下天线的结构相似，天线辐射方向图走向相似，呈现相似的辐射模式。在两种模式之下均可观察到频率可重构模块在XY与YZ平面都在﹣y方向呈现出宽边现象。在XZ平面上出现一些微小的差别。根据Ant 1的辐射特性以及天线对称安置分布可以得知，系统电路板左侧天线模块的远场辐射对准﹣y方向，系统电路板右侧天线模块的远场辐射方向对准﹢y方向，在一定程度弱化了辐射远场对准的情况。结果验证了此种天线结构能完美实现天线场型分集技术。分集技术降低了天线相关度，提高了天线隔离度，达到天线解耦的效果，进而提升了天线性能。

3    结语

随着通信频段的增加，对于手机终端天线的设计越发困难。因此，文章针对终端设备多频化应用问题，选择了利用频率可重构技术设计多天线阵列。在满足多频化需求的同时，利用MIMO技术提高通信的信道容量。文章提出一种可应用于4G/5G工作频段且应用分集技术解耦的8×8频率可重构MIMO系统。其中，4G频段可覆盖2 546～2 680 MHz，中心频率为2.6 GHz。而5G频段则可覆盖3.33～3.67 GHz，中心频率为3.5 GHz。系统大小满足于手机终端设备的尺寸要求。八天线阵列的S参数和ECC计算结果显示了MIMO系统的通信可应用性，并且性能良好。辐射方向图进一步验证了对分集技术的应用合理性。

[参考文献]

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学（信息科学），2014（5）：551-563.

[2]杜滢，朱浩，杨红梅，等.5G移动通信技术标准综述[J].电信科学，2018（8）：2-9.

[3]PARCHIN N.Eight-element dual-polarized MIMO slot antenna system for 5G smartphone applications[J].IEEE Access，2019（7）：15612-15622.

[4]唐子行，刘明盛，王国正.可重构天线研究[J].电子世界，2019（14）：79-80.

[5]SU Z，VASEEM M，YANG S，et al.Fully printed VO2 switch based reconfigurable PIFA/T-shaped monopole antenna[C].Waterloo：18th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics（ANTEM），2018.

Abstract：This paper presents an 8×8 frequency reconfigurable MIMO system which can be applied to 4G/5G working frequency bands and decoupled by diversity technology. The eight antenna array consists of four frequency reconfigurable antenna modules which can be switched to 2.6 GHz frequency band and 3.5 GHz frequency band and four 5G modules which can be applied to 3.5 GHz frequency band. Because of the application of frequency reconfigurable technology， the system can meet the requirements of network transmission rate and other requirements， and further improve the space utilization of terminal equipment and the flexibility of system application. The calculation results of S parameters and envelope correlation coefficient before and after switching of MIMO system are given. The results show the availability of multi-antenna arrays.

Key words：frequency reconfigurable technology; multi-antenna array; multiple-input multiple-output; diversity technology; 5G communication