國之重器出版工程 MIMO多天線系統與天線設計

本書從全新的視角審視多天線系統，旨在將電磁場與微波、天線與傳播、移動通信等理論與技術相結合，以期讓讀者對多天線系統這一現代移動通信核心技術有更深入的理解。本書從多天線系統的通道模型和通道容量出發，從電磁場和電磁波的角度重新剖析多天線之間的相關性，並分析和評估天線的空間相關性和天線間互耦對於多天線系統通道容量和吞吐率的影響，隨後進一步給出解決該類影響的天線去耦合方法。針對多天線系統的不同應用場景，本書緊接著闡述多天線系統在基站、終端和無線能量傳輸場景中的應用，並給出了評估多天線系統各種關鍵參數的方法。

本書面向的主要讀者為從事多天線系統研究、開發和測試的專業技術人員，本書也適合作為高校專業課、選修課或者培訓班的教材。

赵鲁豫

博士，西安电子科技大学副教授、博士生导师。2014年获得香港中文大学博士学位，同年开始在香港中文大学进行博士后研究。2016年到西安电子科技大学任教。现任天线系统产业联盟专家委员会理事、中国通信学会高 级会员、天线与射频技术委员会委员、IEEE高 级会员。常年担任IEEE Transactions on Antennas and Propagation、International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering等期刊的审稿人，现任IEEE Access副主编。主要研究方向为多天线系统、微波无源集成电路及天线微波测量。共发表SCI检索论文近50篇，其中ESI高被引论文4篇；授 权美国发明专利3项、中国发明专利2项，申请专利40余项；出版译著1部、专著1部。主持国家重点研发计划项目子课题1项，国家自然科学基金青年科学基金项目1项，国家重点实验室基金项目1项，陕西省重点研发计划项目1项。同时积极参加产学研合 作项目，与行业知名企业有着广泛的联系和合 作。

黄冠龙

博士，佛山科学技术学院教授，深圳市鹏城实验室双聘研究员，教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师基金获得者，中国通信学会高 级会员及天线与射频技术委员会委员，IEEE高 级会员。分别于哈尔滨工业大学、新加坡国立大学获得学士与博士学位，曾供职于新加坡淡马锡实验室任研究科学家、诺基亚任资 深天线专家。长期从事高性能微波器件及天线技术领域的研究工作，包括平板及共形天线阵列、移动终端及基站天线、3D打印射频器件及天线、毫米波天线阵列等。目前在国际微波与天线领域权 威学术期刊和会议上发表论文100余篇，其中ESI高被引论文2篇、封面论文2篇。兼任IEEE Access副主编，曾获IEEE TAP和IEEE AWPL全球最 佳审稿人，并多次作为特邀演讲人参与多个重要国际会议并承担专题研讨会组织工作。

蔺炜

博士，悉尼科技大学校长博士后研究员，IEEE高 级会员。于华南理工大学取得信息工程学士以及电磁场与微波技术硕士学位，并于香港城市大学取得电子工程博士学位。2012年—2013年供职于新加坡南洋理工大学电气电子学院，任助理研究员，从事海事短波天线的研究工作。2016年—2018年供职于澳大利亚悉尼科技大学，任博士后研究员，从事电小天线以及可重构天线的研究工作，期间获得悉尼科技大学青年研究员基金资助（UTS Early Career Research Grant）。2019年取得该校校长博士后研究员基金（Chancellor’s Postdoctoral Research Fellow）并任职至今，从事无线能量传输的研究工作。获得2021年澳大利亚研究理事会优 秀青年学者基金资助（ARC DECRA Fellow）。目前在国内外微波与天线领域权 威学术期刊和会议发表论文100余篇，并获得多项国际业内认可的学术奖项。曾获得2019年IEEE天线与传播学会评选的Raj Mittra旅行基金（Travel Grant）；2018 International Symposium on Antennas and Propagation（ISAP 2018）最 佳论文奖（排名第 1）；2018 Australian Microwave Symposium（AMS 2018）最 佳青年学者论文奖（排名第1）；2017 Electromagnetic Materials and Technologies for the Future（EM-MTF 2017）最 佳海报论文奖；2016年香港特区政府才艺发展奖学金；2015年IEEE Region 10会议（TENCON 2015）青年科学家奖。同时也是2018年IEEE AWPL全球最 佳审稿人以及2020年IEEE TAP全球最 佳审稿人。

李迎松

博士，哈尔滨工程大学教授、博士生导师，美国应用计算电磁学会会士，IEEE高 级会员，中国电子学会高 级会员。获得高知工科大学和哈尔滨工程大学双博士学位，先后赴加州大学戴维斯分校、高知工科大学和约克大学访学。入选哈尔滨工程大学青年骨干教师支持计划，黑龙江省“龙江科技英才”特殊支持计划，黑龙江省“头雁”团队。担任高知工科大学、远东联邦大学和圣彼得堡彼得大帝理工大学客座教授。曾任AEU-International Journal of Electronics and Communications领域编辑，2020 IEEE 3rd International Conference on Electronic Information and Communication Technology（ICEICT 2020）、2019 International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition（iWEM 2019）等国际会议的共同主 席/技术程序委员会共同主 席。发表SCI检索论文160余篇，ESI高被引论文10篇，授 权发明专利20项，主持国家重点研发计划等项目20余项，是国家科学技术奖励、黑龙江省科学技术奖励等项目评审专家。

第 1章 多天線系統概述 001

1.1　多天線系統的發展動態和麵臨的關鍵問題　002

1.2　各類多天線系統的比較　006

1.3　技術標準研究：從4G、5G到6G技術的演進　008

1.4　從WRC-19展望未來5年的通信技術發展　016

1.4.1　各國就5G毫米波頻譜使用達成共識　017

1.4.2　WRC正在考慮更多、新的Sub-2 GHz頻段　017

1.4.3　移動通信或將向Sub-8 GHz乃至Sub-10 GHz進發　019

1.4.4　太赫茲通信已成為各國研究的技術熱點　020

1.4.5　2023年WRC研究議題　021

1.5　本章小結　023

參考文獻　023

第　2章 MIMO系統的模型及通道容量　025

2.1　MIMO系統的基本概念　026

2.2　MIMO系統的信號模型與通道容量　027

2.3　考慮相關性和效率的通道容量　029

2.4　MIMO技術與空時編碼　032

2.5　本章小結　036

參考文獻　036

第3章　MIMO系統的電磁場分析　037

3.1　空間相關性　038

3.1.1　基本定義　038

3.1.2　基於輻射參數的相關系數的計算　040

3.2　空間相關性和天線互耦對通道容量的影響　044

3.2.1　考慮空間相關性的通道容量計算　044

3.2.2　考慮天線互耦的通道容量計算　047

3.3　用於描述多徑分量的幾何模型的分析、建模與模擬　052

3.3.1　圓形散射模型分析　052

3.3.2　基站的電磁波散射模型的建模與模擬　054

3.3.3　移動終端的電磁波散射模型的建模與模擬　056

3.4　基站天線陣列模擬實例　057

3.5　本章小結　060

第4章　天線去耦合技術　061

4.1　常用去耦合方法總結　062

4.1.1　缺陷地結構去耦合方法　062

4.1.2　電磁帶隙結構去耦合方法　066

4.1.3　中和線及去耦網絡去耦合方法　069

4.1.4　寄生諧振去耦合方法　082

4.1.5　特徵模去耦合方法　086

4.1.6　正交方向圖去耦合方法　088

4.1.7　空間去耦合方法　090

4.2　耦合諧振器去耦網絡　094

4.2.1　基本工作原理　095

4.2.2　天線互導納的分析　097

4.2.3　二階的耦合諧振器去耦網絡設計原理　103

4.3　基於假天線的去耦合方法　105

4.3.1　基本原理　105

4.3.2　設計實例　108

4.4　實際工程應用　112

4.5　本章小結　115

參考文獻　116

第5章　MIMO系統中的多天線設計：基站天線　121

5.1　基站天線演進歷史　122

5.2　基站天線的輻射單元及工藝　124

5.3　基站天線組陣方法和陣列　135

5.4　基站天線的饋電網絡　140

5.5　實際應用中基站天線的其他工程約束　143

5.6　專題與實例——雙頻雙極化天線輻射單元設計　146

5.7　本章小結　153

參考文獻　153

第6章　MIMO系統中的多天線設計：移動終端　157

6.1　手機終端及手機天線發展歷史　158

6.2　手機天線的類型與實現方式　162

6.3　手機多天線設計　170

6.4　Sub-6 GHz手機天線設計　173

6.5　毫米波終端天線設計　180

6.6　新形態的移動終端：可穿戴設備　190

6.7　移動終端產品的其他設計考慮　193

6.8　本章小結　193

參考文獻　194

第7章　多天線系統在無線能量傳輸中的應用　195

7.1　無線能量傳輸系統簡介　196

7.1.1　電磁波無線能量傳輸系統　197

7.1.2　基於磁場耦合的無線能量傳輸系統　198

7.1.3　無線能量傳輸系統中的關鍵參數　200

7.2　基於電磁波輻射的多天線無線能量傳輸系統　203

7.2.1　多天線射頻及直流合路無線能量傳輸系統　204

7.2.2　基於回復反射波束聚焦的多天線無線能量傳輸系統　204

7.2.3　多天線無線攜能通信　206

7.3　基於磁場耦合的多線圈無線能量傳輸系統　207

7.3.1　多線圈磁場諧振式無線能量傳輸系統　207

7.3.2　通過中繼線圈耦合的磁場諧振式無線能量傳輸系統　209

7.3.3　通過多線圈磁場波束成形的無線能量傳輸系統　210

7.4　本章小結　211

參考文獻　212

第8章　多天線系統的性能評估　215

8.1　散射參數　216

8.1.1　定義　216

8.1.2　散射參數的測量方法　218

8.2　輻射方向圖　219

8.3　包絡相關系數　220

8.3.1　基於輻射參數的包絡相關系數計算　220

8.3.2　基於散射參數的包絡相關系數計算　221

8.4　多天線系統的效率參數　221

8.4.1　天線的總效率　221

8.4.2　分集效率　222

8.5　多天線輻射特性的測試　222

8.6　通道容量的測量方法　224

8.7　總有效反射系數　230

8.8　本章小結　230

參考文獻　231

名詞索引　233