本文將首先介紹MIMO基站天線的研究背景與研究意義，然后介紹了目前MIMO基站天線的研究現(xiàn)狀，并對(duì)MIMO基站天線去耦的幾種主流的去耦方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的歸納和介紹。

研究背景

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)正朝著信息化現(xiàn)代化發(fā)展，這給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的便利。同時(shí)，不斷擴(kuò)大的通信用戶規(guī)模以及人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的通信需求，也促使著通信技術(shù)朝著高速率、低延時(shí)、大容量的方向發(fā)展。處于整個(gè)通信系統(tǒng)最前端的基站天線，也因此得到了快速的發(fā)展。

生活中的基站天線 ? ? ? ?

縱觀整個(gè)基站天線發(fā)展史，從1G時(shí)代的全向基站天線，到2G時(shí)代的三扇區(qū)定向基站天線，再到3G時(shí)代的利用極化分集技術(shù)的雙極化基站天線，而后在4G，5G時(shí)代天線數(shù)量增多，逐漸演進(jìn)到多輸入多輸出(Mutiple Input Multiple Output, MIMO) 基站天線系統(tǒng)以及現(xiàn)在的大規(guī)模MIMO基站天線系統(tǒng)，如何獲取更大的信道容量始終是基站天線領(lǐng)域值得考慮的問(wèn)題。

基站天線演進(jìn)過(guò)程（從左到右依次為全向天線，定向天線，雙極化天線，MIMO以及大規(guī)模MIMO）

根據(jù)多天線系統(tǒng)的香農(nóng)公式:

，其中N為天線數(shù)量，W為帶寬，SNR為信噪比，由此可以知道，信道容量可以分別從天線數(shù)量，帶寬以及信噪比三個(gè)角度來(lái)提高，而頻譜資源有限且信噪比的提升是有限度的，因此MIMO多天線系統(tǒng)是提高信道容量的一條必經(jīng)之路。

天線數(shù)量增加，且對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，需要考慮運(yùn)營(yíng)商成本以及后期維護(hù)的問(wèn)題，基站空間有限體積不能被設(shè)計(jì)得過(guò)大，這必然導(dǎo)致天線單元之間的物理間距被大大壓縮，因此不可避免會(huì)導(dǎo)致天線單元之間產(chǎn)生較為嚴(yán)重的互耦問(wèn)題，使得天線出現(xiàn)效率降低、方向圖畸變，從而影響整個(gè)系統(tǒng)性能。

MIMO信道模型

與此同時(shí)，極化分集技術(shù)具有增加信道容量，對(duì)抗多徑衰落等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于基站天線上，可適應(yīng)日益復(fù)雜的通信環(huán)境，滿足日益嚴(yán)苛的通信需求[1]-[2]。從3G時(shí)代開(kāi)始，雙極化天線就逐漸成為了基站天線的首選天線，與單極化天線相比，其需要同時(shí)考慮E面和H面的互耦問(wèn)題，而這在MIMO多天線系統(tǒng)里面，這也意味著其需要考慮的互耦問(wèn)題復(fù)雜度更高，對(duì)于MIMO基站天線的去耦難度大大提升。因此，研究MIMO基站天線的去耦技術(shù)是至關(guān)重要的。

研究現(xiàn)狀

目前MIMO基站天線的主流去耦方法是阻隔法以及利用場(chǎng)對(duì)消技術(shù)。下面將介紹一些相關(guān)工作。

阻斷法

利用金屬條帶，金屬柱以及金屬擋板等結(jié)構(gòu)來(lái)阻斷基站天線單元之間的空間波耦合的技術(shù)在業(yè)界應(yīng)用廣泛 [3]-[4]，但是僅僅加載此類(lèi)金屬結(jié)構(gòu)會(huì)影響天線匹配以及極化隔離，同時(shí)加載金屬擋板的方法通常是應(yīng)用在天線單元間距較大的情況，天線單元間距大不利于在有限空間內(nèi)集成更多的天線，設(shè)計(jì)不當(dāng)還會(huì)引入腔體模式，破壞天線輻射特性。

深圳國(guó)人通信技術(shù)有限公司研發(fā)的一款基于金屬擋板去耦的基站天線[3]

除了利用金屬擋板的方法，常見(jiàn)的方法還有在天線單元之間添加具有電磁帶阻特性諧振結(jié)構(gòu)來(lái)阻斷電磁波的傳播。

2020年10月，加拿大康考迪亞大學(xué)Ahmed A. Kishk研究組提出了一種基于裂環(huán)諧振器加載擋板的MIMO天線去耦方法[5]。通過(guò)在天線單元四周?chē)@一圈裂環(huán)諧振器加載擋板，形成帶阻濾波器從而有效阻斷天線單元之間的互耦，在不增加剖面高度的情況下，實(shí)現(xiàn)了頻帶內(nèi)25 dB以上隔離度，天線單元沿水平方向間距為0.5 λ0。

裂環(huán)諧振器加載擋板[5]

近場(chǎng)對(duì)消技術(shù)

2017年12月，香港中文大學(xué)的吳克利研究組首次提出了一種用于減弱大規(guī)模MIMO天線中互耦問(wèn)題的陣列天線去耦表面(Array-antenna Decoupling Surface, ADS)的概念[6]。ADS是一個(gè)由多個(gè)小金屬貼片以及介質(zhì)基板組成的薄層表面，通過(guò)在MIMO天線上放置特別設(shè)計(jì)的ADS來(lái)產(chǎn)生適量的衍射波，這些衍射波與耦合波幅值相同，相位相反，因此在耦合單元端口處可實(shí)現(xiàn)抵消，從而獲得較高的端口隔離度，同時(shí)天線輻射參數(shù)惡化不明顯。

2020年4月，由于單ADS對(duì)于交錯(cuò)型排列的MIMO天線的去耦表現(xiàn)不佳，吳克利研究組再次提出了一種基于ADS的交錯(cuò)型MIMO天線相位補(bǔ)償?shù)娜ヱ罘椒╗7]。通過(guò)在E面組陣天線單元之間設(shè)計(jì)一種訂書(shū)釘型探針，將E面耦合的相位平衡到與H面耦合一致，再結(jié)合ADS對(duì)交錯(cuò)型MIMO天線進(jìn)行去耦，在較近的距離(0.5 λ0)下，實(shí)現(xiàn)了25 dB以上的隔離度，同時(shí)由于互耦造成的方向圖畸變也有了一定程度的改善。

2023年7月，華南理工大學(xué)陳付昌研究組提出了一種基于ADS與人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor, AMC)的交錯(cuò)型雙極化天線陣列的混合去耦方法[8]。通過(guò)用AMC代替?zhèn)鹘y(tǒng)地來(lái)降低天線剖面高度(0.315 λ0)，同時(shí)與ADS相結(jié)合對(duì)天線陣列進(jìn)行去耦，在0.59 λ0的距離下實(shí)現(xiàn)了22 dB以上的隔離度，同時(shí)改善了由互耦造成的方向圖畸變。

基于ADS與AMC的混合方法去耦[8]

2023年11月，華南理工大學(xué)褚慶昕研究組提出了一種基于多去耦零點(diǎn)的MIMO天線寬帶去耦方法[9]。通過(guò)在天線單元之間引入多個(gè)在不同頻點(diǎn)諧振的金屬諧振器，產(chǎn)生多個(gè)去耦零點(diǎn)，從而達(dá)到拓展去耦帶寬的目的。去耦帶寬達(dá)到了25.6%(1.7–2.2 GHz)，端口隔離度也在25 dB以上，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模拓展。

復(fù)合型去耦技術(shù)

2022年10月，西安電子科技大學(xué)翟會(huì)清研究組提出了一種基于復(fù)合型去耦技術(shù)的具有高容量緊湊大規(guī)模MIMO陣列方案。通過(guò)集成ADS，復(fù)合型解耦表面(Composite decoupling surface, CDS)以及“π”型環(huán)繞式諧振網(wǎng)共同對(duì)MIMO陣列進(jìn)行去耦。其中ADS與CDS為利用近場(chǎng)對(duì)消的原理引入額外耦合路徑中和直接耦合波，“π”環(huán)繞式諧振網(wǎng)則是利用了諧振結(jié)構(gòu)的帶阻特性對(duì)電磁波進(jìn)行阻斷。這種方法在28.5%(6–8 GHz)的帶寬內(nèi)達(dá)到了25 dB以上的隔離度，相較于耦合的情況，去耦后信道容量提升了14%。性能表現(xiàn)優(yōu)異，但剖面較高(0.6 λ0)，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

總結(jié)

本文介紹了MIMO基站天線的研究背景與研究意義，然后介紹了MIMO基站天線的各種去耦技術(shù)，列舉的幾個(gè)工作從隔離度，去耦帶寬等幾個(gè)方面進(jìn)行了比較。介紹了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)劣。總的來(lái)講，現(xiàn)存的去耦技術(shù)手段較少，僅有阻斷以及近場(chǎng)對(duì)消兩種方法，存在的問(wèn)題有：去耦帶寬窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜剖面高；不能同時(shí)兼顧端口隔離度、阻抗匹配，方向圖保形等各項(xiàng)性能；能運(yùn)用于大規(guī)模MIMO基站天線方案少。后續(xù)研究希望可以探究同頻MIMO基站天線去耦新方式。

審核編輯：黃飛