国之重器出版工程 MIMO多天线系统与天线设计

本书从全新的视角审视多天线系统，旨在将电磁场与微波、天线与传播、移动通信等理论与技术相结合，以期让读者对多天线系统这一现代移动通信核心技术有更深入的理解。本书从多天线系统的信道模型和信道容量出发，从电磁场和电磁波的角度重新剖析多天线之间的相关性，并分析和评估天线的空间相关性和天线间互耦对于多天线系统信道容量和吞吐率的影响，随后进一步给出解决该类影响的天线去耦合方法。针对多天线系统的不同应用场景，本书紧接着阐述多天线系统在基站、终端和无线能量传输场景中的应用，并给出了评估多天线系统各种关键参数的方法。 本书面向的主要读者为从事多天线系统研究、开发和测试的专业技术人员，本书也适合作为高校专业课、选修课或者培训班的教材。

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 多天线系统概述001

1.1　多天线系统的发展动态和面临的关键问题　002

1.2　各类多天线系统的比较　006

1.3　技术标准研究：从4G、5G到6G技术的演进　008

1.4　从WRC-19展望未来5年的通信技术发展　016

1.4.1　各国就5G毫米波频谱使用达成共识　017

1.4.2　WRC正在考虑更多、新的Sub-2 GHz频段　017

1.4.3　移动通信或将向Sub-8 GHz乃至Sub-10 GHz进发　019

1.4.4　太赫兹通信已成为各国研究的技术热点　020

1.4.5　2023年WRC研究议题　021

1.5　本章小结　023

参考文献　023

第　2章 MIMO系统的模型及信道容量　025

2.1　MIMO系统的基本概念　026

2.2　MIMO系统的信号模型与信道容量　027

2.3　考虑相关性和效率的信道容量　029

2.4　MIMO技术与空时编码　032

2.5　本章小结　036

参考文献　036

第3章　MIMO系统的电磁场分析　037

3.1　空间相关性　038

3.1.1　基本定义　038

3.1.2　基于辐射参数的相关系数的计算　040

3.2　空间相关性和天线互耦对信道容量的影响　044

3.2.1　考虑空间相关性的信道容量计算　044

3.2.2　考虑天线互耦的信道容量计算　047

3.3　用于描述多径分量的几何模型的分析、建模与仿真　052

3.3.1　圆形散射模型分析　052

3.3.2　基站的电磁波散射模型的建模与仿真　054

3.3.3　移动终端的电磁波散射模型的建模与仿真　056

3.4　基站天线阵列仿真实例　057

3.5　本章小结　060

第4章　天线去耦合技术　061

4.1　常用去耦合方法总结　062

4.1.1　缺陷地结构去耦合方法　062

4.1.2　电磁带隙结构去耦合方法　066

4.1.3　中和线及去耦网络去耦合方法　069

4.1.4　寄生谐振去耦合方法　082

4.1.5　特征模去耦合方法　086

4.1.6　正交方向图去耦合方法　088

4.1.7　空间去耦合方法　090

4.2　耦合谐振器去耦网络　094

4.2.1　基本工作原理　095

4.2.2　天线互导纳的分析　097

4.2.3　二阶的耦合谐振器去耦网络设计原理　103

4.3　基于假天线的去耦合方法　105

4.3.1　基本原理　105

4.3.2　设计实例　108

4.4　实际工程应用　112

4.5　本章小结　115

参考文献　116

第5章　MIMO系统中的多天线设计：基站天线　121

5.1　基站天线演进历史　122

5.2　基站天线的辐射单元及工艺　124

5.3　基站天线组阵方法和阵列　135

5.4　基站天线的馈电网络　140

5.5　实际应用中基站天线的其他工程约束　143

5.6　专题与实例——双频双极化天线辐射单元设计　146

5.7　本章小结　153

参考文献　153

第6章　MIMO系统中的多天线设计：移动终端　157

6.1　手机终端及手机天线发展历史　158

6.2　手机天线的类型与实现方式　162

6.3　手机多天线设计　170

6.4　Sub-6 GHz手机天线设计　173

6.5　毫米波终端天线设计　180

6.6　新形态的移动终端：可穿戴设备　190

6.7　移动终端产品的其他设计考虑　193

6.8　本章小结　193

参考文献　194

第7章　多天线系统在无线能量传输中的应用　195

7.1　无线能量传输系统简介　196

7.1.1　电磁波无线能量传输系统　197

7.1.2　基于磁场耦合的无线能量传输系统　198

7.1.3　无线能量传输系统中的关键参数　200

7.2　基于电磁波辐射的多天线无线能量传输系统　203

7.2.1　多天线射频及直流合路无线能量传输系统　204

7.2.2　基于回复反射波束聚焦的多天线无线能量传输系统　204

7.2.3　多天线无线携能通信　206

7.3　基于磁场耦合的多线圈无线能量传输系统　207

7.3.1　多线圈磁场谐振式无线能量传输系统　207

7.3.2　通过中继线圈耦合的磁场谐振式无线能量传输系统　209

7.3.3　通过多线圈磁场波束成形的无线能量传输系统　210

7.4　本章小结　211

参考文献　212

第8章　多天线系统的性能评估　215

8.1　散射参数　216

8.1.1　定义　216

8.1.2　散射参数的测量方法　218

8.2　辐射方向图　219

8.3　包络相关系数　220

8.3.1　基于辐射参数的包络相关系数计算　220

8.3.2　基于散射参数的包络相关系数计算　221

8.4　多天线系统的效率参数　221

8.4.1　天线的总效率　221

8.4.2　分集效率　222

8.5　多天线辐射特性的测试　222

8.6　信道容量的测量方法　224

8.7　总有效反射系数　230

8.8　本章小结　230

参考文献　231

名词索引　233