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摘要目前，第四代移动通信已经进入大规模商用化进程， 紧接而来的第五代移动通信成为全球研究热点，其中MIMO 技术成为其支撑技术之一。MIMO技术不仅提高了系统的频谱利用效率，而且提高了移动通信质量和传输速率。MIMO 天线的性能与天线单元的互耦质量息息相关。因此，本文首先基于信号干扰概念提出了耦合器去耦网络，从幅度和相位的角度分析了降低互耦的机理，设计并加工验证了这种宽带耦合器去耦网络的有效性。其次，分析设计了滤波器去耦网络，并将其与耦合器去耦网络进行比较，结果表明，耦合器去耦网络的设计更为方便，而且具有宽带特性。最后，针对多端口的 MIMO 天线，分析了28GHz 频段下不同的天线布局对MIMO 互耦的影响， 并进一步结合超材料结构进行去耦的理论分析与设计，获得了很好的隔离效果。 41641
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毕业论文关键词 MIMO天线 低互耦 去耦网络 分集技术
Title The Analysis and Design of MIMO Antenna For Applications in 5G Communication
Abstract At the moment, the fourth generation mobile communication has been used extensively. The next coming generation of mobile communication has become a hot topic around the world, in which MIMO technology will play one of the most important roles, which takes many advantages, such as improving the spectrum capacity and transmission rate. All these performances depend much on the isolation of MIMO antenna elements. Therefore, this paper first presents coupler decoupling network based on signal-interference concept and analyses the operational principle from the perspective of magnitude and phase. Then, the filter-based decoupling network has been analyzed, and the comparisons between the above two kinds of decoupling networks indicate the coupler decoupling network one better candidate for application in the wideband MIMO antenna. Finally, the paper analyses the effects of different layouts of MIMO antenna in the band of 28GHz. Furthermore, by using metamaterial mushroom, high isolation has been realized for the referred MIMO antenna. Keywords MIMO Antenna Low Mutual Coupling Decoupling Network Diversity
目录
1引言.1
1.1课题研究背景1
1.2国内外研究现状2
1.3论文的研究内容和结构安排5
2MIMO天线技术的理论基础.7
2.1MIMO通信理论基础7
2.2MIMO天线的主要性能参数8
3基于信号干扰概念的耦合器去耦网络.10
3.1基于信号干扰概念的耦合器去耦网络原理10
3.2基于一阶耦合器的窄带去耦网络11
3.3基于二阶耦合器的宽带去耦网络14
3.4本章小结19
4滤波器去耦网络的分析与设计.21
4.1并联集总网络去耦技术21
4.2滤波器去耦网络和耦合器去耦网络的比较23
4.3本章小结29
5多端口MIMO天线的去耦设计30
5.1不同排布的MIMO天线.30
5.2利用超材料去耦的MIMO天线设计.34
5.3本章小结36
结论.38
致谢.39
参考文献.40
1 引言 随着第四代移动通信（4G）的大规模普及，第五代移动通信（5G）已经提上日程，成为全球的研究热点。IMT-2020 (5G) 推进小组在5G概念白皮书中提出了由“标志性能力指标+一组核心关键技术”共同定义的 5G概念，其中特别强调了 MIMO（Multiple Input Multiple Output 多输入多输出）天线技术在5G通信中的重要地位。MIMO天线技术可以在不提高发射能量和增加系统带宽的条件下，有效利用分集增益和复用增益，大幅度提高频率利用率和系统容量。MIMO 天线阵列的研究主要包括天线单元形式、互耦分析、多天线布局等几个方面。毋庸置疑，探索高性能的天线设计是MIMO 天线研究的重点之一。 1.1 课题研究背景 第一代移动通信（1G）起源于20世纪60年代，采用模拟蜂窝系统进行简单的语音业务服务。其缺点是频率利用率低下，业务种类单一，保密性差，不易便携，成本高等。典型代表有美国AMPS[1] (Advanced Mobile Phone System)、 英国 TACS[2]（Total Access Communication System） 、北欧NMT（Nordic Mobile Telephone） 。 第二代移动通信（2G）流行于20世纪90年代，采用数字蜂窝系统进行较高质量的语音和短信业务。虽然性能优于 1G系统，但是制约于传输带宽等影响，其传输速率只有 9.6kbit/s,峰值可达32kbit/s。后期又发展出 2.5G或2G+等技术，如通用分组无线服务（GPRS）与GSM数据率增强型全域演进（EDGE）技术，其数据速率提升至几百 kbit/s。目前仍在广泛使用的2G 系统是GSM（Global System for Mobile Communications） ，覆盖了欧洲、亚洲、澳洲、南美以及美国大部分区域。 第三代移动通信（3G）兴起于21世纪初，能够提供数字语音、视频通话、互联网连接、多媒体等业务。典型的代表有欧洲 W-CDMA、北美 CDMA2000 和我国提出的 TD-SCDMA。 紧接着 3G 之后，第四代移动通信（4G）在我国已实现大规模普及，能够提供高清图像传输，高清视频通话，高清电影下载等业务。4G应用的关键技术是LTE技术，LTE技术成为3G 的拓展和演进，利用 OFDM+MIMO 的传输模式，可以实现峰值每秒几十兆的传输速率。 现阶段，为了满足未来日益膨胀的数据流量和更好更快的用户体验，许多国家和公司加快了第五代移动通信（5G）的研发设计。5G提出了更高的数据传输速率、更小的延迟和更低的能耗等要求，强调了MIMO 天线乃至大规模 MIMO[3][4][5]天线技术的必要性。早在后3G和4G 时代，移动通信已经运用了 MIMO 天线技术，具有高效的频谱利用效率和高速的数据传输等优点。 可以预见，在5G时代，MIMO天线技术将成为重要支柱之一。但是，如何在有限空间内设计多个天线并实现天线之间的良好隔离，仍是值得深入探索和研究的问题。