【摘 要】
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第五代通信系统（5G）的快速发展顺应了人们自古以来对信息快速、高效传输的追求。当然5G时代的到来给移动通信技术带来挑战,基站天线作为移动通信系统的“耳目”也需要相应地升级。5G基站天线采用大规模阵列天线来实现Massive MIMO技术和波束赋形技术,进而大大的提升通信速率。然而,应用于5G基站中的大规模阵列大大增加了天线单元数量,同时也增加了天线阵列的体积、重量以及成本。另一方面,5G大规模阵列
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第五代通信系统（5G）的快速发展顺应了人们自古以来对信息快速、高效传输的追求。当然5G时代的到来给移动通信技术带来挑战,基站天线作为移动通信系统的“耳目”也需要相应地升级。5G基站天线采用大规模阵列天线来实现Massive MIMO技术和波束赋形技术,进而大大的提升通信速率。然而,应用于5G基站中的大规模阵列大大增加了天线单元数量,同时也增加了天线阵列的体积、重量以及成本。另一方面,5G大规模阵列占用其他频段的天线大量的空间,使得天线之间距离在有限的空间里变得越来越近,导致耦合问题就越来越严重。所以,如何有效地减小5G阵列的体积和重量,降低天线阵列的成本,这是值得考虑的问题。性能优良的天线阵列设计必须从天线单元设计开始,天线单元体积小,成本低,性能好,阵列性能才能突出。所以,在应用于5G中Sub-6GHz频段的天线单元的设计过程中,首先要保证基本的宽带特性,且能够完全覆盖工作频段范围。在天线性能达到良好的基础上实现紧凑的结构设计、小型化以及低成本等优势,这样才能从根本上有效减小5G阵列的体积、重量以及成本。另一方面,阵列扫描是5G无线通信技术中一个很有前景的技术方案,因为它具有宽频带和可导向波束。阵列天线设计过程中必然出现耦合问题,抑制天线之间的耦合,进而改善由于耦合造成的低隔离度等问题,使得天线阵列实现高隔离和宽角度扫描性能,这是具有重要意义的研究内容。本论文的研究工作如下:1.研究了小型化贴片基站天线的宽带原理。在此设计的贴片天线基础上,改造设计了两款宽带天线。一款是基于寄生贴片加载的宽带天线,其工作相对带宽可达36%（0.67-0.98GHz）,可以完全覆盖LTE700/GSM850/GSM900的频率范围。另一款是进行馈电结构改造,完成了单端馈电结构设计,且保证了宽带特性。2.设计了一款单端差分信号馈电贴片天线。设计的天线具有突出的滤波特性,该天线是基于小型化贴片天线,利用终端开路半波长微带线的电流分布特点完成了单端差分信号馈电,再通过串联E型谐振器实现天线的滤波特性。3.设计了一款缝隙贴片天线,该天线阻抗带宽完全可以覆盖设计的工作频段。不仅如此,设计的天线具有优于传统交叉偶极子天线和贴片天线的极化隔离特性,在应用背腔型隔离板后,同时实现了二元阵中极化隔离度和单元间隔离度的改善。4.介绍了阵列扫描相关理论,基于理论设计了两款阵列扫描,首先是通过设计一分四功分器将四个贴片天线组成线阵,再利用四个线阵交错排列组成面阵。通过隔离挡板改善子阵列间的耦合问题,不仅实现了良好的列间隔离特性,还完成了扫描特性。然后缝隙贴片天线为阵元,搭配设计的一分六功分器进行线阵和面阵的设计。另外,通过背腔结构实现了列间隔离度和极化隔离度的改善。设计的阵列扫描实现了良好的隔离性能和宽角扫描特性。
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