[发明专利]一种用于大规模MIMO的阵列天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是一种用于大规模MIMO的阵列天线。

背景技术

面向5G的大规模MIMO天线系统主要是指位于基站的天线系统，这类系统首先是MIMO天线，其次是天线阵列。其中多天线的作用是空间分集和空间复用，而空间分集和空间复用的前提是每根天线的独立性和无关性。阵列的作用是波束赋形，而波束赋形的前提是阵元间信号相长相消的相干性。显然，在MIMO天线系统的空间分集、空间复用与波束赋形的3种应用模式中，各天线对具体位置的要求几乎冲突。4G的MIMO天线系统因技术原因只可任选1种或2种应用模式，极大地局限了天线系统的性能。面向5G系统的频谱将会是毫米波技术，由于该技术可使设备尺寸小型化和集成化，为大规模MIMO天线同时实现3种应用模式提供了技术保证。

MIMO天线技术中的空间分集是指多根发射天线或多根接收天线可以同时处理同一信号，这种应用模式虽然对空间传输容量和频谱利用率没什么贡献，但却可以极大地提高无线传输的可靠性；空间复用是指发射天线是多根，接收天线是多根也可能是单根，可组合成多路独立空间子信道用来传输多路不同用户信号，虽然可以较大程度地提高无线传输容量或频谱利用率，但很难改善无线信道的传输质量；波束赋形是指多根天线在相关技术作用下，可以使多天线发射的电磁波在指定方向相长相消，形成较窄的定向波束覆盖目标用户，虽然可以获得较高的传输可靠性，克服邻区干扰，降低设备发射功率，提高通信质量，同样不能提高传输容量和频谱利用率。

MIMO天线系统的传输原理为：在无线链路两侧的基站和终端的发射与接收设备上均有多个天线，发送端将信源比特流通过数字调制成串行码流，再经串并变换成为与 MIMO多天线对应的并行码流，经过空时编码使之成为适应空间分集和时间分集的空时码流，最后送到MIMO天线使其在空域子信道上同频同时传输；接收端MIMO天线在收到经过无线信道传输的多径信号后，通过空时解码使其从混合接收信号中分离估计出与多天线对应的并行码流，再经并串转换形成传输码流，最后通过数字解调恢复信宿。在MIMO天线的工作过程中，系统可根据各子天线的间距及相关处理技术，分别实现空间分集、空间复用和波束赋形等应用功能。

传统MIMO天线系统主要是为了获取复用增益和分集增益，要获取更高的增益必须采用空时编码，因为空时编码后的传输信号，不仅可以人为地控制发射信号承载的发射天线和时隙，还可以方便接收天线正确估计和分离这些不同天线和时隙的信号，能正确和高效地重组与恢复信宿，且不管这些信号是同一信源还是不同信源，也不管应用目的是空间复用还是空间分集。空间复用要求各子天线发射不同用户信号，达到提高空间传输信道容量的目的。空间分集要求各子天线发射同一用户信号，达到提高空间传输可靠性的目的。但两者要求各子天线间距越大越好，至少在一个波长以上，尽可能保证空间复用或空间分集中各子天线的独立性和无关性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于大规模MIMO的阵列天线。

发明人认为利用传统MIMO天线系统实现波束赋形，理论上是无法兼顾系统同时实现空间复用或空间分集的。因为技术上存在完全相悖的基本要求，波束赋形要求MIMO天线系统中各子天线间距只能是半波长或半波长倍数，以保证各子天线上信号具有相长相消的相干性。由于波束赋形的作用主要是将各子天线上相同信号通过相干性使其辐射波形变得更窄，具有更强的方向性和目标性，从而可以提高无线传输的可靠性，这与空间分集产生的效果相似，也就是说，波束赋形与空间分集的主要作用具有异曲同工之妙。但波束赋形还可以提高发射电磁波的功率密度，可以有效地降低每个阵元上发射信号的强度，可大大节省天线的发射能量，具有环保优势。

移动通信的基站和终端因架设和架构的现实要求，MIMO天线系统的体积、重量和功耗受到较大限制，而MIMO天线振子结构的几何大小与波长同数量级。4G网络的主频率小于 3GHz，波长大于10 cm，属于分米波范围，目前应用于4G基站和终端中的MIMO天线一般为基站有 8 根天线和终端有2根天线的8×2模式，如此少量的子天线数，产生的空间复用、空间分集和波束赋形的效果非常有限。面向5G 频谱选择很有可能采用毫米波技术，从而使子天线尺寸局限在毫米范围，从几何尺寸和发射功等方面，都已为 5G系统提供了技术支撑基础，使之完全可以在基站和终端上建立少则几十根、多则上千根子天线的大规模MIMO天线系统。