MIMO基站天线几种主流的去耦方法

本文将首先介绍MIMO基站天线的研究背景与研究意义，然后介绍了目前MIMO基站天线的研究现状，并对MIMO基站天线去耦的几种主流的去耦方法进行了简要的归纳和介绍。

研究背景

随着移动通信技术的发展，人类社会正朝着信息化现代化发展，这给人们生产生活带来极大的便利。同时，不断扩大的通信用户规模以及人们日益增长的通信需求，也促使着通信技术朝着高速率、低延时、大容量的方向发展。处于整个通信系统最前端的基站天线，也因此得到了快速的发展。

生活中的基站天线        

纵观整个基站天线发展史，从1G时代的全向基站天线，到2G时代的三扇区定向基站天线，再到3G时代的利用极化分集技术的双极化基站天线，而后在4G，5G时代天线数量增多，逐渐演进到多输入多输出(Mutiple Input Multiple Output, MIMO) 基站天线系统以及现在的大规模MIMO基站天线系统，如何获取更大的信道容量始终是基站天线领域值得考虑的问题。

基站天线演进过程（从左到右依次为全向天线，定向天线，双极化天线，MIMO以及大规模MIMO）

根据多天线系统的香农公式:

，其中N为天线数量，W为带宽，SNR为信噪比，由此可以知道，信道容量可以分别从天线数量，带宽以及信噪比三个角度来提高，而频谱资源有限且信噪比的提升是有限度的，因此MIMO多天线系统是提高信道容量的一条必经之路。

天线数量增加，且对于基站来说，需要考虑运营商成本以及后期维护的问题，基站空间有限体积不能被设计得过大，这必然导致天线单元之间的物理间距被大大压缩，因此不可避免会导致天线单元之间产生较为严重的互耦问题，使得天线出现效率降低、方向图畸变，从而影响整个系统性能。

MIMO信道模型

与此同时，极化分集技术具有增加信道容量，对抗多径衰落等优点，应用于基站天线上，可适应日益复杂的通信环境，满足日益严苛的通信需求[1]-[2]。从3G时代开始，双极化天线就逐渐成为了基站天线的首选天线，与单极化天线相比，其需要同时考虑E面和H面的互耦问题，而这在MIMO多天线系统里面，这也意味着其需要考虑的互耦问题复杂度更高，对于MIMO基站天线的去耦难度大大提升。因此，研究MIMO基站天线的去耦技术是至关重要的。

研究现状

目前MIMO基站天线的主流去耦方法是阻隔法以及利用场对消技术。下面将介绍一些相关工作。

阻断法

利用金属条带，金属柱以及金属挡板等结构来阻断基站天线单元之间的空间波耦合的技术在业界应用广泛 [3]-[4]，但是仅仅加载此类金属结构会影响天线匹配以及极化隔离，同时加载金属挡板的方法通常是应用在天线单元间距较大的情况，天线单元间距大不利于在有限空间内集成更多的天线，设计不当还会引入腔体模式，破坏天线辐射特性。

深圳国人通信技术有限公司研发的一款基于金属挡板去耦的基站天线[3]

除了利用金属挡板的方法，常见的方法还有在天线单元之间添加具有电磁带阻特性谐振结构来阻断电磁波的传播。

2020年10月，加拿大康考迪亚大学Ahmed A. Kishk研究组提出了一种基于裂环谐振器加载挡板的MIMO天线去耦方法[5]。通过在天线单元四周围绕一圈裂环谐振器加载挡板，形成带阻滤波器从而有效阻断天线单元之间的互耦，在不增加剖面高度的情况下，实现了频带内25 dB以上隔离度，天线单元沿水平方向间距为0.5 λ0。

裂环谐振器加载挡板[5]

近场对消技术

2017年12月，香港中文大学的吴克利研究组首次提出了一种用于减弱大规模MIMO天线中互耦问题的阵列天线去耦表面(Array-antenna Decoupling Surface, ADS)的概念[6]。ADS是一个由多个小金属贴片以及介质基板组成的薄层表面，通过在MIMO天线上放置特别设计的ADS来产生适量的衍射波，这些衍射波与耦合波幅值相同，相位相反，因此在耦合单元端口处可实现抵消，从而获得较高的端口隔离度，同时天线辐射参数恶化不明显。

2020年4月，由于单ADS对于交错型排列的MIMO天线的去耦表现不佳，吴克利研究组再次提出了一种基于ADS的交错型MIMO天线相位补偿的去耦方法[7]。通过在E面组阵天线单元之间设计一种订书钉型探针，将E面耦合的相位平衡到与H面耦合一致，再结合ADS对交错型MIMO天线进行去耦，在较近的距离(0.5 λ0)下，实现了25 dB以上的隔离度，同时由于互耦造成的方向图畸变也有了一定程度的改善。

2023年7月，华南理工大学陈付昌研究组提出了一种基于ADS与人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC)的交错型双极化天线阵列的混合去耦方法[8]。通过用AMC代替传统地来降低天线剖面高度(0.315 λ0)，同时与ADS相结合对天线阵列进行去耦，在0.59 λ0的距离下实现了22 dB以上的隔离度，同时改善了由互耦造成的方向图畸变。

基于ADS与AMC的混合方法去耦[8]

2023年11月，华南理工大学褚庆昕研究组提出了一种基于多去耦零点的MIMO天线宽带去耦方法[9]。通过在天线单元之间引入多个在不同频点谐振的金属谐振器，产生多个去耦零点，从而达到拓展去耦带宽的目的。去耦带宽达到了25.6%(1.7–2.2 GHz)，端口隔离度也在25 dB以上，结构较为简单，没有实现大规模拓展。

复合型去耦技术

2022年10月，西安电子科技大学翟会清研究组提出了一种基于复合型去耦技术的具有高容量紧凑大规模MIMO阵列方案。通过集成ADS，复合型解耦表面(Composite decoupling surface, CDS)以及“π”型环绕式谐振网共同对MIMO阵列进行去耦。其中ADS与CDS为利用近场对消的原理引入额外耦合路径中和直接耦合波，“π”环绕式谐振网则是利用了谐振结构的带阻特性对电磁波进行阻断。这种方法在28.5%(6–8 GHz)的带宽内达到了25 dB以上的隔离度，相较于耦合的情况，去耦后信道容量提升了14%。性能表现优异，但剖面较高(0.6 λ0)，设计较为复杂。

总结

本文介绍了MIMO基站天线的研究背景与研究意义，然后介绍了MIMO基站天线的各种去耦技术，列举的几个工作从隔离度，去耦带宽等几个方面进行了比较。介绍了现有技术的优劣。总的来讲，现存的去耦技术手段较少，仅有阻断以及近场对消两种方法，存在的问题有：去耦带宽窄、结构复杂剖面高；不能同时兼顾端口隔离度、阻抗匹配，方向图保形等各项性能；能运用于大规模MIMO基站天线方案少。后续研究希望可以探究同频MIMO基站天线去耦新方式。

审核编辑：黄飞