应用于UWB-MIMO无线终端的高性能多天线研究

The UWB-MIMO technology, which is the combination of the ultrawideband technology and the Multi-Input Multi-Output technology, can provide the advantages of both large capacity and high data transmission rate. A high-performance antenna system is crucial for bringing out the full benefits of the system. It is a very challenging basic research topic about how to build a multiantenna system on a terminal platform with a limited size. Most ultrawideband antennas don't have the frequency stability of radiation characteristics. And when multiple antennas are installed in a limited space, the strong mutual coupling between antenna units can further degrade the system performance. This project aims to research the UWB-MIMO terminal antenna system based on the theory of characteristic modes. It includes: by researching the radiation mechanism of ultrawideband antennas, to explore the conditions of realizing stable radiation and multimode of ultrawideband antnnas; by researching the mutual coupling mechanism of ultrawideband antennas, to establish the mutual coupling analysis model; through the characterisitic modes analysis of the multiantenna unit and system, to study the ultrawideband antenna units with stable radiation, multi-mode, or reconfigurable characteristics, and further to build a compact multiantenna system; studying the communication performance of the antennas installed on the wireless terminal. In this project, we will explore the radiation mechanism and the design principles of the UWB-MIMO terminal antennas by theoretical analysis, electromagnetic simulation and experimental study, to achieve good radiation characteristics of such terminal antennas. We will also provide the reliable theoretical basis, efficient design methods and a number of proven initial prototypes for the antenna design.

超宽带和多输入多输出相结合的UWB-MIMO技术，具有大容量、高数据传输率等优点。充分发挥系统优势，有赖于高性能的天线系统。在尺寸有限的终端平台上，如何构建信道相关性小的多天线系统，是极具挑战性的基础性课题。大多数超宽带天线不具有频率稳定的辐射特性，而在有限空间内安装多个天线时，单元间的强互耦又进一步影响系统性能。本项目旨在基于特征模理论，研究UWB-MIMO终端天线系统。内容包括：研究超宽带天线辐射机理，探索其实现稳定辐射、多模工作的条件；研究超宽带天线互耦机理，建立互耦分析模型；通过对多天线单元和系统的特征模分析，研究稳定辐射、多模式、可重构的超宽带天线单元，构建结构紧凑的多天线系统；研究应用于无线终端的天线性能。通过理论分析、电磁仿真和实验研究，探索UWB-MIMO终端天线实现良好辐射特性的机理和设计原理，为天线设计提供可靠的理论依据、高效的设计方法及经过验证的若干初始模型。

随着通信和雷达技术的发展，超宽带和多输入多输出相结合的UWB-MIMO技术，由于其具有大容量、高数据率等优点，在通信和雷达系统中具有极大的应用潜力。要充分发挥系统优势，有赖于高性能的天线系统。如何在尺寸有限的终端平台上，构建隔离度高、信道相关性小的多天线系统，是本项目的研究目标。. 本项目基于天线基本理论、特征模理论和优化理论，通过理论分析、算法设计、电磁仿真和实验测量等多种手段，研究了超宽带天线的互耦机理，建立了互耦分析模型，提出了降低单元互耦的方法。探索了天线的高性能拓扑优化方法、宽带天线的特征模快速算法和无条件稳定的计算电磁学方法，提出了实现超宽带多天线减小天线尺寸、降低互耦、提高单元隔离度的方法，并对MIMO天线的通信性能以及互耦和信道相关性进行了研究。通过这些工作，研究并设计了一系列结构新颖、性能优良的天线。. 通过研究，对MIMO终端天线实现良好辐射特性的机理和设计原理有了深入的理解和掌握，为下一步研究超分辨的大规模MIMO天线阵列奠定了良好的研究基础。通过对宽带天线特征模快速提取算法、天线拓扑优化算法和无条件稳定的计算电磁学快速算法的研究，为设计各种复杂天线结构提供了高效的分析设计工具，能极大提高设计效率。通过这些探索，以本项目为基础共发表学术研究论文43篇，其中SCI论文24篇，EI论文11篇，其他论文13篇；申请国家发明专利10项，其中授权5项；获教育部自然科学奖二等奖1项，参加国际学术会议获优秀学生论文奖1项。. 本项目研究成果有力的推动了超宽带多天线的分析设计能力。从立项初期单纯依靠电磁仿真软件进行试探设计，上升为结题阶段多种分析手段并行的定量化设计，最终形成对性能优良的多天线系统进行高效分析和设计的工具，并提供了多种性能优良的天线结构。本项目的研究成果，丰富了天线与电波传播理论和技术，为天线理论和工程做出了贡献。在无线通信、智能交通、智能家居等领域中都有十分重要的理论意义、学术和应用价值。