小型化MIMO 天线设计在增强型移动宽带中的应用分析

杨亚冬

（中通服网盈科技有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着移动通信技术的迅猛发展，人们对高性能无线通信系统的需求日益增长。在此背景下，小型化多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）天线通过在有限空间内布局多个天线元素，显著提高无线通信系统的数据传输速率，并改善系统的信号质量。然而，设计和实现高性能的小型化MIMO 天线面临众多技术挑战，包括在紧凑设计中保持天线元素间的高隔离性、优化天线的辐射效率和带宽性能，还需要考虑材料选择和制造工艺的影响。随着通信频段向超高频段的拓展和智能可重构天线技术的发展，集成化与模块化设计成为实现高效、灵活通信网络的重要方法。

1 小型化MIMO 天线的设计要求与技术挑战

小型化MIMO 天线的设计要求在有限的空间内实现多个天线元素的布局，以支持MIMO 技术，从而提高无线通信系统的效率，并扩大系统容量。小型化MIMO 天线设计所面临的技术挑战不仅包括如何保持天线元素之间的高隔离性来防止互相干扰、如何优化天线的辐射效率和带宽性能，还需考虑天线材料选择和制造工艺的影响，确保天线性能的稳定性和可靠性。在实现多频段支持的同时，要克服由于天线尺寸减小带来的增益和效率的潜在损失。这需要采用创新的设计方法和技术，如使用特殊的天线结构和馈电技术，以实现在紧凑空间内的高性能MIMO 天线设计。MIMO 天线原理如图1 所示。

图1 MIMO 天线原理

1.1 多频带天线设计的重要性

设计多频带天线使天线能够在多个频段中工作，覆盖5G 网络中不同的频率需求，包括低频、中频及高频段。这样天线可以适应不同的通信环境和应用场景，如城市密集区域的高速数据传输和广阔农村地区的广域覆盖[1]。同时，多频带天线设计有助于提高频谱利用率，通过在多个频段中同时传输数据，可以显著提升网络的数据吞吐量和用户体验。此外，多频带天线设计在兼容现有技术的同时预留对未来技术的扩展性，从而保障投资的长期有效性。

1.2 高隔离特性的实现方法

在MIMO 天线系统中，高隔离性可以确保天线元素之间的互相干扰最小化，从而提升信号质量，扩大系统容量。例如，通过调整天线元素之间的距离和角度，利用天线阵列的对称性或设计特殊的天线形状来物理隔离各个天线单元。此外，技术人员通过在天线之间添加隔离元件、使用去耦网络、应用电磁场带隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）结构和互补分裂环谐振器（Complementary Split Ring Resonators，CSRRs）等手段来进一步提高隔离性。这些方法通过减少电磁波的相互耦合和干扰，有效提升MIMO 系统的整体性能。同时，对天线设计进行精细的电磁仿真分析和优化，确保在紧凑的空间内达到最佳的通信效果。

1.3 小型化MIMO 天线的材料与制造工艺

小型化MIMO 天线天线的设计与制造过程中，通常采用具有低损耗和适中的相对介电常数的材料。FR-4 是一种常见的基板材料，具有约4.5 的相对介电常数和0.02 的损耗正切值，适用于低成本和中等性能要求的应用场景。更高端的应用可以采用具有损耗正切（约0.001 5）和更强的频率稳定性的RT/duroid 或Taconic 等材料，但成本相对较高。在制造工艺方面，精密的光刻技术对于多频带和宽带天线设计尤为重要，其可以精确控制天线。例如，使用微带线技术可以精确控制天线尺寸，其制造公差一般在±0.02 mm 范围内。此外，射频（Radio Frequency，RF）喷墨打印和3D 打印技术为天线设计提供更大的灵活性，可以制造复杂形状和多层结构的天线，减小天线尺寸的同时提升天线性能[2]。随着技术的进步，紧凑型天线设计越来越多地采用高性能材料和先进制造技术，如使用具有超低损耗和高介电常数的陶瓷材料，以及采用射频烧结和激光直写技术，实现更高的精度和更复杂的天线结构。

1.4 天线的辐射效率

天线的辐射效率是天线辐射功率与天线接收到的总输入功率之比，可以反映天线设计和制造过程中能量转换的效率。高辐射效率意味着天线能够将更多的输入功率转换为有用的辐射能量，不以热量或其他形式的损耗耗散。辐射效率的优化涉及天线的设计、所选材料的电磁属性、制造工艺的精度等方面。在小型化MIMO 天线设计中，由于空间限制和多元素集成的复杂性，难以保持高辐射效率，但通过创新设计和先进制造技术的应用，可以有效克服这些难题。

1.5 带宽性能

对于无线通信系统而言，带宽性能直接影响数据传输速率和信号质量。天线的带宽越宽，其能够适应的信号类型就越多，能够支持的通信协议和应用越广泛。设计者需要采用多种策略，如利用多重谐振模式、采用特殊的天线结构或使用非传统材料，优化带宽性能。匹配网络的设计也对带宽性能有重要影响，通过优化匹配网络，可以改善天线的输入阻抗特性，从而在更宽的频率范围内实现良好的阻抗匹配，提高天线的辐射效率，并增强信号接收能力。

2 小型化MIMO 天线在增强型移动宽带应用中的性能评估

小型化MIMO 天线在增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）应用中，信封相关系数（Envelope Correlation Coefficient，ECC）、多样性增益（Diversity Gain，DG）、总有效反射系数（Total Active Reflection Coefficient，TARC）以及信道容量损失（Channel Capacity Loss，CCL）等性能参数均为评估天线在实际应用中性能的重要指标，可以直接反映天线设计的优越性及其在实际通信系统中的表现。ECC 值低于0.1 通常被认为是优良的MIMO 天线设计，能有效减少天线元素间的相互干扰；DG 高于10 dB意味着天线能够提供良好的信号质量和接收性能；TARC 低于-10 dB 且CCL 低于0.5 bits·s-1·Hz-1则表示天线具有较高的辐射效率和优异的通信能力。通过精确测量和分析这些参数，可以全面评估小型化MIMO 天线在eMBB 场景下的性能，确保其满足5G网络对高速数据传输和可靠性的严格要求。

2.1 性能参数的测量与分析

ECC 通过计算天线元素间的相关性来评估天线系统的性能和信号重叠度。理想情况下，ECC 值应低于0.1，以确保天线元素之间的低相关性，从而减少相互干扰。在eMBB 应用中，小型化MIMO 天线设计的核心在于其性能参数的测量与分析，特别是等效辐射功率和等效接收功率。其中，ECC 是评估MIMO天线性能的参数之一。ECC 衡量不同天线端口之间的信号相关性，对于保证通信质量和系统容量至关重要。理想情况下，MIMO 天线的ECC 值应接近于0，这表明各个天线端口之间的信号几乎不相关，从而最大化系统的频谱效率和数据传输速率。通过精密的设计和仿真分析，小型化MIMO 天线能够在保持较低ECC值的同时，高效利用空间资源，进而显著提升eMBB系统的整体性能。

DG 是衡量MIMO 系统在多径环境中性能的重要指标。DG 高于10 dB 表示天线能在复杂环境中提供较好的信号质量与接收性能。DG 的计算方式涉及天线的方向图和信号到达角度，具体计算依赖于天线设计的复杂度。TARC 是评估天线系统整体匹配性能的指标，TARC 值低于-10 dB 表示天线具有良好的辐射效率。

CCL 是评估天线的信道容量的指标。CCL 低于0.5 bits·s-1·Hz-1意味着天线在通信系统中的性能损失最小[3]。CCL的计算基于信道矩阵和信号传输效率，具体依赖天线配置和信道模型。

通过精确测量和分析这些参数，能够全面评价小型化MIMO 天线在eMBB 场景下的实际性能，确保其满足5G 网络对高速数据传输和系统可靠性的要求。

2.2 多频带天线的优化策略

在天线设计中集成多个共振器，每个共振器针对特定频段优化，可以覆盖多个频段。具体设计时，需要精确调整共振器的尺寸和位置，以达到所需的频率响应。频率再配置技术是多频带天线设计中的优化策略之一。天线通过集成可变电容或正型-本征-负型（Positive-Intrinsic-Negative，PIN）二极管等可调元件，动态调整工作频段，以适应不同的通信需求。这种方法在提高天线的适用性和灵活性的同时对电路设计提出更高的要求，如对可调元件的控制和整体系统的电源管理。此外，采用高效的馈电技术和匹配网络设计对于优化多频带天线性能至关重要。适当的馈电结构和匹配网络可以有效减少在不同频段上的反射损失，提高天线的辐射效率。这通常涉及复杂的阻抗匹配技术，要求设计人员进行精细的电路仿真和优化。采用先进的材料和制造技术也是实现多频带天线性能优化的关键内容。例如，使用具有低损耗和高介电常数的材料减小天线尺寸，同时保持良好的电磁性能，适用于紧凑型多频带设计。利用微加工技术和3D 打印等先进制造技术可以实现更复杂的天线结构和更精细的尺寸控制，从而优化天线的性能和多频带覆盖能力。

2.3 实际应用场景中的性能验证

在实际应用场景中，需要进行性能验证，即通过一系列定量的测试来衡量天线的实际表现，包括但不限于辐射效率、带宽、增益以及在特定环境下的通信质量。通常在无反射室内进行辐射效率的测量，使用标准天线作为参考，辐射效率定义为天线辐射功率与输入功率之比。理想情况下，辐射效率应接近或超过85%，以确保天线的能量转换效率较高。带宽与天线能够支持的数据传输速率密切相关。在多频带天线设计中，需要确保每个工作频段的带宽都满足特定的通信标准。例如，一个设计用于5G 通信的天线，其在n78 频段（3 300 ～3 800 MHz）的带宽至少为100 MHz，以支持高速数据传输。增益是衡量天线接收或发射信号能力的指标，单位为dBi。对于小型化MIMO 天线，增益的测量需要考虑每个天线元素和整个阵列的性能。理想的MIMO 天线设计中，每个天线元素的增益高于5 dBi，以优化信号覆盖范围和质量。在特定的实际应用场景中，如城市或农村地环境，天线的性能验证需要考虑多路径效应、建筑物遮挡等因素对信号传播的影响。通过在这些环境下进行实地测试，可以获得信号覆盖范围、信道容量以及用户体验等数据。例如，通过实地测试揭示在城市环境中，天线的CCL 保持在0.3 bits·s-1·Hz-1以下，通信质量良好。

通过测试和分析这些定量参数，可以全面评估小型化MIMO 天线在实际应用场景中的性能，确保设计满足5G 及未来通信技术的高标准要求。性能验证数据为天线设计的进一步优化提供科学依据，确保天线能在不同的应用环境中提供稳定、高效的通信服务。

3 小型化MIMO 天线的未来发展趋势

3.1 向超高频段的拓展

超高频段，特别是毫米波（30 ～300 GHz）和太赫兹（0.1 ～10 THz）频段，由于拥有大量未被利用的频谱资源，成为支持极高数据速率传输的关键。然而，这一拓展面临着显著的技术挑战，包括信号的传播损耗显著增加、大气吸收效应以及设备的能量效率问题。为解决这些问题，研究人员正在开发新的天线设计理念、材料、制造技术，以提高天线在这些频段的性能。这包括采用高效的波束成形技术、开发新型低损耗材料以及利用微纳加工技术制造紧凑型高性能天线。此外，天线系统的集成和多功能性也是实现高频通信系统可行性的关键因素。

3.2 智能可重构天线技术的应用

智能可重构天线技术允许通过软件控制动态修改天线的电气特性，以适应不同的操作频率、辐射模式或波束方向。智能可重构天线依赖集成的可变元件，如可变电容器、PIN 二极管或微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）光开关，实现其重构功能。这样天线可以根据信号环境或通信需求的变化，优化其性能，如扩大信号覆盖范围、增强信号接收质量或减少干扰。该技术的应用不仅可以增强系统的灵活性和适应性，而且可以提升频谱利用率和能量效率[4-5]。智能可重构天线对于支持多模多频、实现高效的频谱共享以及满足未来无线通信系统的高速数据传输需求至关重要。

3.3 集成化与模块化设计趋势

集成化设计可以提高系统效率，降低制造成本。模块化设计允许各个组件以模块形式独立设计和测试，并根据特定应用需求组合在一起，提供高度的灵活性和可扩展性，使天线系统可以轻松适应不同的技术和市场需求。同时，模块化设计简化升级和维护过程，有助于缩短产品开发周期并降低整体成本。

4 小型化MIMO 天线的实际部署与应用案例

小型化MIMO 天线因其紧凑的尺寸和高效的多频带性能，广泛部署于城市中的基站和移动设备，支持密集的网络需求和高数据吞吐量。例如，小型化MIMO 天线被集成在5G 基站中，可以支持宽频带和应用波束成形技术，从而优化信号覆盖和网络容量。这种部署策略不仅可以提高网络的速度和可靠性，而且能够显著提升频谱的利用效率。在城市环境中，小型化MIMO 天线通过支持大量并发连接和降低延迟，为用户提供无缝的高速数据服务，满足流媒体视频、高速下载、云服务等应用的需求。这一应用案例表明小型化MIMO 天线技术在实现高效、高容量城市通信网络方面具有关键作用。

5 结 论

小型化MIMO 天线技术作为无线通信领域的一项重要进展，在提升网络容量、增加数据传输速率以及优化频谱利用率方面发挥着至关重要的作用。文章深入分析小型化MIMO 天线技术设计原理、技术挑战、多频带优化策略以及智能可重构技术。通过精确测量和分析相关性能参数，确保小型化MIMO 天线技术在eMBB 场景下可以满足5G 网络对高速数据传输和可靠性的严格要求。