基于磁流模式分析的移动终端MIMO天线小型化关键技术研究

Multiple-input multiple-out (MIMO) is the key technology for high-speed wireless communication in future. However, the dimension of the MIMO antenna system is a severe problem for the small-volume mobile handsets. In this project, for the antenna miniaturization for multi-band MIMO applications, we will study the theory on equivalent magnetic current modes. The equivalent magnetic current shows duality with traditional electric current mode. The equivalent magnetic current is with the advantage of good radiation performance on the metallic boundary condition, which is different from the electric current, showing potential application for antenna miniaturization. For the equivalent magnetic current mode theory, we will focus on the construction, the radiation performance and the modes coupling performance of the equivalent magnetic current. Based on the radiation performance of the equivalent magnetic current, we will study the techniques for wideband antenna element designs. Based on the modes coupling performance, we will study the techniques for wideband decoupling methods between antenna elements of MIMO antenna system. The most important issue for this project is the study of the equivalent magnetic current mode theory. Under the finite boundary condition of the volume-limited mobile terminals, we attempt to provide an acceptable solution for wideband, multiple-band MIMO antenna system in space-limited mobile handsets.

多输入多输出（MIMO）技术是未来移动通信提高频谱效率的关键方案之一，但是MIMO天线的尺寸制约了该技术在小型移动终端中的应用。本项目针对移动终端MIMO天线小型化的需求，探索等效磁流的模式理论。等效磁流与传统的电流模式具有对偶性，与电流模式靠近金属边界条件辐射恶化相反，等效磁流在金属边界条件表面具有良好的辐射特性，在天线宽带小型化应用中具有研究前景。本项目拟探索等效磁流模式理论，包括等效磁流的构造、模式辐射特性及模式间耦合特性。并基于等效磁流的辐射特性，研究MIMO天线单元宽带小型化的设计方案；基于等效磁流在特定尺寸金属边界条件下的耦合特性，研究MIMO天线间宽带、多频带解耦设计方案。 本项目的核心在于对等效磁流模式的理论研究。针对移动终端特定尺寸的金属边界条件，探索MIMO天线小型化设计思路，并将该思路拓展到多频带、宽带的应用，为MIMO技术在小型移动终端的应用提供可行方案。

在Maxwell 的电磁体系中，电场和磁场是共同存在、相互作用的。在广义的Maxwell 方程中，提出了磁流的概念。在自然界，电荷和电流是产生电磁场的实际场源，而迄今为止未发现自然界有磁荷和磁流。在电磁理论中引入的磁流是一种等效的概念。磁流作为电流的对偶形式存在，具备电流所不具备的特性，利用磁流等效源及对偶原理可以将复杂的电场问题简化。本课题通过对等效磁流正交模式和耦合机理的研究，利用等效磁流不同于电流的特殊性质，探索和研究MIMO天线小型化、宽带、多频带、低耦合的可行性设计方案。本课题的主要工作和创新成果如下：.1、通过研究等效磁流模式特性，探索了新的天线结构实现等效磁流模式之间具有较高隔离度的正交特性。提出了细柱形高隔离度全向极化MIMO天线、双极化环形磁流阵列、二维可扩展双极化磁流天线阵列等基于等效磁流正交模式的天线，解决了在空间受限条件下提高极化隔离度、共用一个辐射单元设计正交等效磁流模式以及利用正交磁流模式简化大规模阵列的匹配网络等问题，为高隔离正交等效磁流天线的实际应用提供了理论基础和技术方案。.2、通过研究等效磁流的耦合机理，实现了利用多个等效磁流实现多个磁流之间的耦合设计多频带天线的设计方案。基于磁流间可以产生的能量耦合，我们设计了一款的细柱形五频天线。该类天线的优势是在保证天线宽带工作的条件下，可以实现天线的小尺寸，这是常规电流模式天线所不具备的。.3、通过研究电磁流复合天线的特性，实现了移动终端天线小型化的需求。本课题利用电流和磁流多模式协同工作，实现了两款多频带手机天线，成功覆盖了4G移动通信的各个频段，达到了设计目标。.4、通过研究等效磁流天线不同于电流天线的辐射特性，实现了具有水平极化全向方向图的磁流天线阵列。.