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手持终端MIMO智能天线阵列的优化设计

魏盼盼  
【摘要】:多输入多输出技术(Multi-Input Multiple-Output,MIMO)和波束成形技术作为5G通信系统的两大研究热点,在工业界和学术界都受到了越来越多的关注。手持移动终端设备作为现代无线通信系统的重要组成部分,正朝着小型化、智能化方向发展,给终端天线预留的空间越来越小。如何在有限的空间内实现小型化、多功能化的通信要求,对于天线设计工程师来说是个巨大的挑战。为了解决当前手持终端天线面临的问题,本文以手持智能终端为研究对象,结合MIMO和波束成形两种技术设计了两款智能多天线阵列,本文的主要研究内容包括:1.设计了一款工作在3.3-3.5GHz频段的手持终端八单元MIMO智能天线阵列。该阵列由两个对称的四单元子阵列组成,分别放置在移动终端的两个长边偏上位置。通过引入地面隔离槽,使MIMO接收系统获得良好的隔离和包络相关系数。基于最大功率传输效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency,MMPTE),获得指定辐射方向的发射天线阵列的最优激励,并保证在该方向上获得最大增益。进而利用自行研发的波束成形控制器实现最优激励分布,从而将天线波束偏转到指定方向。通过仿真天线工作环境,模拟分析了机身和人体对天线辐射性能的影响。2.提出了一种由两个不同阵列模块组成的手持设备八单元MIMO智能天线系统。该系统由两个天线阵列模块组成。第一个模块是一个用于5G的N78(3.3-3.8GHz)频段的六元阵列,实现MIMO接收和波束扫描发射功能。第二个模块是一个二元天线阵列,在LTE/WWAN/N78(0.7-0.91GHz,1.63-2.61GHz,3.3-3.8 GHz)频段工作。为了充分利用移动设备中现有的天线资源,将第一模块中的6个单元与第二模块中的2个单元相结合,形成在重叠N78频段内的8单元阵列。在接收模式中,通过加载L形槽来实现组合模块的良好隔离和包络相关系数。该组合阵列在发射模式下的激励分布采用最大功率传输的方法进行优化,使光束以最大可能增益指向期望方向,并通过自行设计的波束形成控制器实现。研究了环境对天线阵列性能的影响。


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