MIMO天线报告20131121

1、MIMO天线1.多天线的背景知识2.多天线的解耦技术1.多天线的背景知识MIMO技术简介多输入多输出(MIMO)天线系统在发射端和接收端都使用了多副天线,它在原有的时分复用和频分复用的基础上,增加了一个维度,即空间维度,因此可以处理更多的信号,获得空间复用的增益,或者空间分集。在MIMO天线系统的发送端,多路数据流同时发送,但各发射信号都占用同一频带,提高了带宽利用率。此外,MIMO还可以在保持发送端总功率恒定的情况下实现最优功率分配。MIMO通信技术将多径信道、发射端以及接收端作为一个整体进行优化处理,可以最大的实现最优空域与时域联合的分集和干扰消除处理。MIMO的由来1990年代，全世界无

2、线通信领域均针对多天线系统进行研究，希望实作出能指向接收者的波束成型技术，亦即所谓的智慧型天线 一种能使波束聪明地追踪接收者（即移动电话）的技术，如同有个人持着天线到处移动，就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智慧型天线借由波束对其指向（亦即对目标接收者）的相长干涉（constructive interference）及同时该波束对目标接收者指向以外其他方向相消干涉（destructive interference）来增加信号增益，以实现上述智慧型天线的优点，并对于此发送单位上的多天线间，采用一较窄的天线间距来实现此波束。一般以发送信号的半波长作为实体的天线间距，以满足空

3、间上的采样定理且避免旁瓣辐射（grating lobes），亦即空间上的混叠。但是在都市的环境中，信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散，因而模糊其波束的集中特性（即相长干涉），丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。然而此缺点却随着空间分集及空分复用的技术在 1990 年代末的发展，而突然转变为优势。这些方法利用多径（multipath propagation）现象来增加资料吞吐量、传送距离，或减少比特错误率。这些型态的系统在选择实体的天线间距时，通常以大于被发送信号的波长的距离为实作，以确保 MIMO 频道间的低关联性及高分集阶数（diversity order）。多天线技术的分类根据工作机

4、理的不同，多天线技术可以分为以下三种：(1)空间复用:作为多天线系统最重要的应用,空间复用可以增大系统的信道容量,而信道容量代表了通信系统的最大信息传输速率。假设各天线之间相互独立,发射端和接收端都有N个天线,在接收端已知信道信息的情况下,信道容量随着天线的数目线性增加,在不增加发射功率的前提下,频谱利用率得到了极大的增加。这种方法适用于信噪比较高的环境中。(2)多天线分集（空间分集）:多天线系统可以将多径效应作为一个有利因素加以利用。传统单天线中,多径效应是引起衰落造成误码率的重要原因,而多天线系统利用多副天线的应用,产生多条不同的传输路径,通过不同的分集方式获得分集增益,降低了误码率,提高

5、了系统的可靠性。空间分集可与空间复用协同使用,以得到传输的可靠性与传输速率的折中。(3)波束形成:多天线之间通过调节各单元信号的加权幅度和相位,采用先进的波束转换技术和自适应空间数字处理技术产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁辦或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。波束形成技术可以增加接收信号的信噪比,从而增大基站的覆盖范围。多天线分集多天线的分集技术可以应用于发射端,也可以应用于接收端,其方式主要分为 空间分集 极化分集 角度分集空间分集:这是最常用的分集方式,它利用多副天线的距离来实现,通常情况下,各天线之间的距离应大于相干距

6、离,以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的。采用空间分集的天线往往具有相似的功率方向图,但是对于一个共同的坐标原点而言,各天线的相位是不同的。对于不同的环境,天线间的相干距离也是不同的。例如,在基站中,由于多径角度的扩展度较低,多径效应不明显,则需要天线间距离大于几个工作波长。而在移动终端,尤其是多径效应很丰富的室内环境,一般相干距离为半波长。空间分集技术在频分系统(FDMA)、时分系统(TDMA)以及码分系统(CDMA)中都有应用。极化分集:极化分集利用两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关的衰落特性实现分集。信号从发射端经由信道时,经过了一系列的反射,折射和散射

7、。由电磁场理论可知,不同的极化分量的反射和折射系数是不同的,因此经过多次反射折射后,不同的极化方向在幅度和相位上都出现了较大的差异,若多径效应足够多,则不同极化方向的信号就能够彼此独立。利用这一特点,在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线,在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线,就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量,降低误码率。由于极化分集不要求天线之间距离很远,甚至可以实现天线之间共位,对于小型移动终端来说是最佳的选择,空间和成本都得到了控制。分集增益依赖于天线间极化纯度的好坏。有研究表明,当多径效应足够时,极化分集的性能要好于空间分集。角度分集:角度分集又称为方

8、向图分集,由于地形地貌及建筑物等通信环境的不同,从不同方向到达接收端的信号不是完全相关的。在接收端利用方向性天线,其波束指向不同的方向,使每个方向性天线收到的信号互不相关。在基站,一般采用波束形成来实现高方向性的天线。角度分集的性能与波到达角的角谱扩展大小紧密联系。研究表明,在城市环境下的基站中,角度分集和空间分集实现的性能不相上下。但在某些情况下,由于波到达角的角谱扩展较小,来波方向若位于某副天线的旁瓣或零陷,会导致角度分集的失败。对于移动终端,由于空间受限,天线之间相互耦合,即一个天线作为散射体存在于另一个天线附近,从而改变了天线原本的方向图,而使得不同的天线朝向不同的方向,从而有效地实现

9、了角度分集。值得提出的是,这种情况下分集增益的获得是以牺牲天线效率作为代价的。分集增益信号相关性2.多天线的解耦技术解耦技术分类 控制天线的距离和极化方向 去耦网络 寄生单元、耦合单元 缺陷地结构 中和线 超材料去耦 模式去耦 EBG结构去耦J. BACH ANDERSEN, AND HENRIK HASS RASMUSSEN， Decoupling and Descattering Networks for Antennas， IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, NOVEMBER 1976Kai-Chi Lin, Cheng-Hsun

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