MIMO基站天线的去耦方法介绍

随着移动通信技术的发展，咱们的社会越来越离不开信息数据。用手机、上网的人越来越多，大家对数据传输的需求也越来越高，这就逼着通信技术必须往更快的速度、更短的延迟、更大的承载量方向升级。

基站天线是通信系统的前端核心部件，为了满足这些需求，它也一直在更新换代：

- 1G时代用的是能向四面八方发射信号的全向天线；

- 到了2G，就换成了三扇区的定向天线，信号覆盖更有针对性；

- 3G的时候，又发展出双极化天线，靠极化分集的技术提升信号质量；

- 进入4G和5G时代，就升级成了MIMO和大规模MIMO天线系统。

提高信号传输的信道容量，一直都是基站天线设计的核心目标。

根据多天线系统的香农容量公式

这里面的N是天线的数量，W是带宽，SNR就是信噪比。

想提升信道容量，有三个办法：要么增加天线数量，要么拓宽带宽，要么提高信噪比。但频谱资源本身是有限的，提升信噪比也有技术瓶颈，所以 MIMO多天线系统就成了提升容量的关键办法。

不过问题来了：要在不明显增大基站体积、不增加部署成本的前提下多装天线，就只能把天线单元摆得更紧凑。这么一来，天线之间的互耦效应会变强——不仅会降低天线的工作效率，还会让辐射方向图变形，最终拖累整个系统的性能。

另外，极化分集技术能提升信道容量，还能缓解多径衰落的问题，从3G时代开始就被用在基站天线上了。和单极化天线比起来，双极化天线得同时考虑E面和H面的互耦问题。到了MIMO系统里，这种耦合问题会变得更复杂，相应的，去耦的难度也会大大增加。

所以说，研究MIMO基站天线的去耦技术，是一件特别重要的事。

现在主流的MIMO基站天线去耦方法，主要分两大类：阻隔法和近场抵消法。

接下来的内容，就来给大家总结这两类方法里的一些典型研究成果。

阻隔法

阻隔法的原理很简单，就是用金属条、金属柱或者金属挡板，把天线单元之间的空间电磁耦合给挡住。

这种方法在行业里用得挺多，但缺点也很明显——加了这些金属结构之后，会影响天线的阻抗匹配和极化隔离度。

另外，金属挡板一般只适合用在天线单元间距比较大的情况。可要是单元间距太大，想在有限的空间里装下更多天线就很难实现了；而且还可能产生腔体模式，反过来破坏天线的辐射性能。

还有一种常用的办法，是在天线单元之间加装带电磁阻带特性的谐振结构，用它来阻断电磁波的传播路径，从而减少互耦。

2020年10月，加拿大的一个研究团队，提出了一种新的去耦方案——在金属挡板上加载开口环谐振器。

具体做法是给每个天线单元都围上一圈开口环谐振器，让它们形成一个阻带滤波器。这种设计能在不增加天线整体高度的前提下，有效阻断单元间的互耦。

实测数据显示，当天线单元水平间距为0.5λ时，工作频段内的端口隔离度能超过25dB。

近场抵消法的核心思路，就是制造出一种新的电磁场，让它和天线单元之间的耦合电磁场产生相消干涉，以此抵消耦合的影响。

2017年12月，国内有个研究团队提出了阵列天线去耦表面（ADS）的概念，专门用来改善大规模MIMO阵列的互耦问题。这种ADS其实就是一层很薄的结构——在介质基板上贴了很多小块的金属贴片。

把这个特制的ADS贴在MIMO天线的上方，它会产生衍射波。这种衍射波的幅度和耦合波刚好一致，但相位是相反的，这样就能在天线单元的端口处把耦合抵消掉。用这种方法既能提升端口隔离度，又几乎不会影响天线的辐射性能。

到了2020年4月，还是这个团队，发现单个ADS在交错排列的MIMO天线上的去耦效果不太好，于是又提出了一种针对交错MIMO阵列的相位补偿去耦方法。

具体做法是，在E面阵列的天线单元之间加装一种U形探针，让E面的耦合相位和H面的耦合相位保持一致，再搭配ADS一起使用。实测结果显示，就算天线单元的水平间距缩小到0.5λ，端口隔离度也能超过25dB，同时还能减轻耦合带来的辐射方向图畸变问题。

2023年7月，国外有个研究团队提出了一种混合去耦方法，专门针对交错排列的双极化天线阵列，核心是把去耦表面和人工磁导体结合起来用。

他们用人工磁导体替换了传统的金属接地面，直接把天线的整体高度降到了0.315λ；再搭配去耦表面一起使用，当天线单元间距为0.59λ时，端口隔离度能达到22dB以上，还改善了由耦合导致的辐射方向图畸变问题。

以上便是本期的内容，希望对你有所帮助。