有源差分馈电大规模MIMO集成天线研究

Massive MIMO antenna is a hot research topic in the fields of the wireless communications and antennas. Use of active antennas is an inevitable development trend for base stations. Differentially-fed antennas can be connected directly to differential RF circuits. We propose a project to investigate integrated active differentially-fed massive MIMO antennas, which are the combination of the active antennas, the differentially-fed antennas, and the massive MIMO antennas. Thus, the study of active differentially-fed massive MIMO antennas is theoretically and practically important for mobile communications. Based on our previous investigations, an active dual-polarized differentially-fed antenna which has a planar structure is proposed. An artificial magnetic conductor (AMC) surface is introduced to lower the height of the active dual-polarized differentially-fed antenna, which is essential for the integrated massive MIMO antennas. The main research tasks include: (1) active dual-polarized differentially-fed planar antennas；(2) low-profile active dual-polarized differentially-fed planar antennas based on AMC surfaces; (3) integrated active differentially-fed massive MIMO antennas. This project will study on the differentially-fed antennas, the active antennas, the AMC surfaces, and the integrated active massive MIMO antennas. The implementation of this project will resolve the key technical problems for massive MIMO antennas in mobile communication base stations and will provide theoretical and technical supports for the practical applications of active differentially-fed massive MIMO antennas.

大规模MIMO天线技术是移动通信与天线领域的研究热点，有源集成天线是移动通信基站的关键组件，差分馈电天线为差分射频电路所必需。项目结合有源集成天线、差分馈电天线以及大规模MIMO技术，研究有源差分馈电大规模MIMO集成天线，具有重要科学意义和工程实用价值。本项目在充分的前期研究基础之上，提出了具有平面结构的双极化有源差分馈电天线，通过引入人工磁导（AMC）表面降低天线剖面，为大规模MIMO天线集成创造必要条件。具体研究内容包括：1)有源差分馈电双极化平面天线；2）基于AMC表面的有源差分馈电双极化平面天线低剖面技术；3）有源差分馈电大规模MIMO集成天线。本项目系统研究差分馈电天线、有源天线、宽带AMC表面以及有源大规模MIMO集成天线的工作原理和实现方法。通过本项目实施，有望解决移动通信基站天线领域的关键技术问题，为有源差分馈电大规模MIMO集成天线的实际工程应用提供理论基础与技术支持。

大规模MIMO天线技术作为5G无线通信的核心技术之一，其研究引起了极大的关注。为满足通信系统集成化、高性能化和多功能化的要求，本项目结合差分馈电技术、天线小型化技术、有源集成和解耦技术，研究适用于5G无线通信的大规模MIMO集成天线，具有重要的工程意义和经济价值。差分电路广泛应用于通信系统，为实现大规模MIMO集成天线，本课题引入了差分馈电技术。研究差分馈电宽带天线的基本工作原理，总结基本设计方法，并提出系列差分馈电宽带平面天线，包括差分馈电宽带双极化平面天线、改进型差分馈电宽带双极化平面天线，差分馈电宽带圆极化平面天线、改进型的差分馈电宽带圆极化平面天线和基于介质基片集成波导的差分馈电双极化双频/三频天线。针对天线小型化，分别从降低天线高度和减小天线横截面尺寸二个维度解决。提出了弯折线型人工磁导表面（AMC表面）和螺旋线型AMC表面，探讨了AMC表面对不同极化的天线降低高度的作用，研究表明所提出的AMC表面可有效降低平面天线高度至少50%且与极化无关，并成功研制多个低剖面宽带天线。另一方面，项目研究提出小型化宽带双极化天线，尺寸仅为0.464λ×0.464λ×0.35λ（λ是自由空间中2.2GHz频点的波长），且其带宽扩展至63.4%。在差分馈电大规模MIMO集成天线实现方便进行了一些探索研究，并针对密集排布的大规模MIMO天线的解耦问题，提出了“场对消法”，去互耦效果明显，同时制作了天线模型进行了实测验证。本项目研究探索了差分馈电大规模MIMO集成天线的基本理论与设计方法，对有源差分馈电集成天线设计提供参考，在天线单元小型化和大规模MIMO天线解耦方面取得技术进步。围绕这些研究工作，本课题共发表SCI期刊论文11篇，6篇国际学术会议论文，授权专利10项，特别是在天线的顶级期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上面发表论文3篇。本研究对天线领域的发展具有重要的科学意义，在移动通信领域具有广泛的应用前景。