面向新型超宽带通信的小型化高性能UWB-MIMO天线研究

The development of the miniaturized and high performance UWB-MIMO antenna becomes a challenging research topic with the increasing requirements of the antenna performance for new UWB communications. In this project, in order to solve the existing problems of UWB antennas, the mechanism of the pulse waveform distortion and the various factors that restrict the realization of the high performance UWB antenna are studied based on the theory of pulse signal radiation, and the novel design ideas, methods and requirements of UWB antenna are proposed. Combined with the characteristic mode theory and UWB antenna design technology, this application reveals the inherent relationship between the UWB antenna structure and its performance parameters, which lays a theoretical foundation for the design of UWB-MIMO antennas. Based on the theoretical studied results, the novel bandwidth enhancement technology, miniaturization technology and efficient decoupling methods are studied. Several novel miniaturized coplanar high performance UWB-MIMO antennas are designed on this basis. Furthermore, several novel UWB-MIMO antenna structures with multiple band-notched characteristics and trade-off performance are presented by introducing new design technology of the multi-notch bands for the above-mentioned UWB-MIMO antenna structures. In addition, their performances are analyzed and evaluated. The research results of this project can provide references for the development of high performance massive UWB-MIMO antenna arrays.

随着新型超宽带通信对天线性能指标的要求越来越高，小型化高性能UWB-MIMO天线研制已成为一个极具挑战性的研究课题。本项目拟针对现有超宽带天线存在的问题，基于脉冲信号辐射理论，深入分析脉冲波形畸变产生机理和制约高性能超宽带天线实现的各种因素，提出新颖超宽带天线的设计思路、方法及要求；进一步结合特征模理论和超宽带天线技术，提出普适高效的超宽带天线特征模计算方法，从而揭示超宽带天线结构与其性能参数之间的内在联系，为UWB-MIMO天线设计奠定理论基础；基于上述理论研究结果，引入新颖带宽展宽、小型化技术和高效去耦方法，研制若干款小型化共面高性能UWB-MIMO天线；在此基础上，进一步引入新颖多陷波特性设计技术，提出若干性能平衡的高性能多陷波UWB-MIMO天线结构，并给出其性能分析及评价。该项目的研究成果可为大规模高性能UWB-MIMO天线阵研制提供参考。

超大规模多天线技术（Ultra-Massive MIMO）是构建下一代通信（5G和6G）与智能信息网络的关键技术之一。面向智慧通信数据海量化、多频多天线系统泛在化以及天线波束赋形全场景化的迫切需求，天线系统正面临高性能、高密度、高集成、多频段、宽带宽、小型化的巨大挑战。传统的设计思路及方法易导致MIMO天线尺寸大、隔离度低、方向图畸变和能耗高等问题，其关键瓶颈是多天线近场复杂、耦合抑制困难。.本项目针对MIMO天线的多模式交叉导致模式难以独立调控和不同单元互耦严重、模式数量受限导致天线单元数量及带宽受限、超宽带MIMO系统现有若干窄带通信系统之间的相互干扰等问题，探索和发展小型化、超带宽、高隔离度和多陷波MIMO天线技术。项目主要完成的工作如下：.（1）分析了UWB-MIMO天线技术国内外研究现状，并给出高性能UWB-MIMO天线设计思路及方法；（2）设计了若干共面小型化、高隔离度、多陷波特性的超宽带MIMO天线；（3）归纳导出UWB-MIMO天线分集性能的主要参数计算公式；（4）探索超宽带天线特征模式跟踪、激励及调控方法；（5）提出基于特征模理论（TCM）的UWB-MIMO天线设计思路及方法；（6）基于特征模理论设计了若干高性能UWB-MIMO天线，特别是具有共享结构的地天线和应用于复杂电磁环境的三维天线；（7）提出一种具有角度和极化稳定性的超宽带频率选择表面设计方法；（8）此外，在光电、光磁、人工智能等与天线相关交叉领域进行了有益分析和探索。.通过本项目研究，进一步明确高性能UWB-MIMO天线研制的关键技术问题：增加天线单元数量及密度而不使其性能指标显著降低；指出高性能UWB-MIMO天线研制需要解决的科学问题：调控天线单元的特征模式及电磁特性实现单元间的互耦自身抑制；调控多天线单元端口激励的电场在同一天线表面或口径上产生交叠而不相互干扰。项目研究成果将对超宽带多天线及超大规模多天线阵技术提供有益参考。