基于新型超材料的5G高性能MIMO天线关键技术研究

Massive MIMO technology can significantly enlarge spectrum efficiency and power efficiency of wireless communication system, and improve capacity and coverage of the system, and has thus become one of the most promising research topics in the future 5G. However, with the increasing scale of antenna array, MIMO antenna would face enormous challenges in terms of diversity, decoupling, multiple function and other aspects. The conventional approaches and materials have been unable to meet the stringent requirements. Based on the fantastic electromagnetic characteristics of metamaterial, this project will aim at the researches of the key techniques to improve the performance of MIMO antenna based on novel metamaterial structures. Firstly, the proposal and analysis of novel metamaterials, such as physical characterization and parameters extraction etc, will be carried out. Secondly, based on the proposed novel matematerial structure, the analysis and design of some high-performance compact antenna element will be carried out. Thirdly, the proposed metamaterial will be used to design MIMO antenna, meanwhile, some techniques like diversity and decoupling etc will be investigated. Moreover, new design method of the integration of decoupling metamaterials and antenna is also presented for applications of small-spacing MIMO antennas. The research outputs in this project are expected to provide some helpful guidance to resolve the technological difficulties such as low channel isolation of massive antennas and crowded space of terminal devices applications for 5G high-performance MIMO antenna.

大规模天线阵列（Massive MIMO）技术能够大幅度提升频谱效率和功率效率，从而提高无线通信系统的容量和覆盖范围，是未来5G最具潜力的研究方向之一。但是，随着天线阵列规模扩大，MIMO天线在分集技术、去耦技术和实现多功能等方面仍然有巨大的挑战，仅采用常规的技术已经无法满足需求。本项目基于超材料（Metamaterials）奇异的电磁特性，开展超材料在高性能MIMO天线关键技术的研究：提出新型的超材料结构，对其进行物理表征和参数提取；研究基于超材料的小型化高性能天线单元的设计方法，提出基于非周期超材料的高性能天线；将超材料应用于MIMO天线中，研究实现大系统容量的新型综合分集技术，并针对小间距MIMO天线，提出去耦超材料与天线的集成设计方法。本项目的研究，希望可以突破面向5G应用的MIMO天线技术难点，解决大规模天线通道隔离困难和终端设备空间拥挤等问题，为MIMO天线的设计提供技术指导。

第五代移动通信系统（5G）对天线在小型化、高效率、分集技术和多功能等方面提出了更高的要求，仅采用常规技术已经无法满足需求。而超材料具有奇异的电磁特性，本研究主要开展其在天线性能提升和多功能融合等方面的研究，主要包括：1) 基于新型超材料的小型化天线单元研究。提出了多种寄生条带加载的超材料小型化方法，为天线的小型化设计提供了新的设计思路；2) 基于非周期超材料的高增益天线单元研究。提出了非周期超材料的相位补偿技术和多谐振方法，有效解决了传统天线带宽和增益受限问题；3）基于超表面的MIMO天线极化/角度分集技术研究。首次研究了基于超表面的极化和角度分集方法，研制了一系列高性能MIMO天线；4）基于新型超材料的多功能天线研究。提出了极化/频率均可控、滤波融合、VO2薄膜相变等多种新型超材料，并研制了一系列面向5G的多功能天线；5）基于新型超材料的大型反射/透射阵列研究。分别提出了基于超材料的多折合式平面透镜天线和宽带反射阵列天线，这为实现大型毫米波反射/透射阵列天线的广泛应用提供了解决方案。围绕上述五个研究方向，开展了深入的理论分析及工程设计研究，取得了一系列具有创新性的成果，为5G天线提供了技术参考。