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5G应用中MIMO天线阵列的解耦方法综述
摘要：多输入多输出（MIMO）技术是未来通信的关键技术，它能有效地提高信道容量。对于未来的第五代（5G）终端来说，在紧凑的规模内实现理想的隔离仍然是一项具有挑战性的任务。为了达到一个可接受的隔离水平，已经开发了许多解耦方法。本文综述了近年来国内外对多输入多输出阵列（MIMO）解耦方法的研究进展，包括采用外部去耦结构、正交模式和降低地面效应，并讨论了其在5G智能手机中的发展趋势。
关键词：MIMO阵列；5G智能手机；解耦方法
1简介
无线业务需求的不断增长，加速了移动通信的发展。移动通信系统的发展趋势是便携性、高带宽和智能化，与第四代移动通信系统（4G）相比，第五代移动通信系统（5G）需要支持更加多样化的场景，并面临极端的性能挑战（Hong，2017）。5G移动通信的主要特点是超高速、低延迟、高可靠性。
为了满足不同场景的需求，5G技术需要包含不同的频段，并使用不同频段的特定特性。在低频段，可用的频谱资源非常小。然而，在毫米波（mm-wave）频段中有丰富的频谱资源。毫米波频段可用于高速率数据传输。目前5G的频谱可分为Sub-6ghz频段和毫米波频段。
在2015年世界无线电通信会议上，为即将到来的5G移动通信分配了3400–3600 MHz的频谱，加快了智能手机多天线多输入多输出（MIMO）阵列技术的研究（Al-dualimi等人，2015；ITU，2015）。众所周知，MIMO技术中的信道容量将随着发射机和接收机处天线数量的增加而线性增加（Paulraj等人，2003）。利用这种技术，不需要增加频谱或发射功率就可以提高信道容量。对于智能手机来说，需要集成多个天线以支持多种功能，但是5G MIMO阵列的空间有限，因此在紧凑的尺寸内实现理想的隔离度和包络相关系数（ECC）是一个充满挑战的问题。
目前，为了提高隔离效果，国内外已经发展了中和线法、缺陷接地结构法和正交模态法等多种解耦方法。本文对这些解耦方法进行了简要的总结。最后，展望了MIMO阵列在5G智能手机中的应用前景。
MIMO阵列的两种解耦方法
2.1距离优化与不同要素的选择
选择合适的单元间距是一种传统的、简便的方法，不需要附加解耦结构。通过选择相邻元件之间的适当距离，可以实现可接受的隔离（Lu et al.，2015；Huang et al.，2018；Wong et al.，2018a；Chen et al.，2019；Zhang et al.，2019）。
一种能够覆盖4G和5G通信(617–960, 1710–2690, and 3300– 4200 MHz) 的宽带天线被提议组成一个双天线MIMO阵列。为了保证隔离，两个元件沿着系统主板的两个短边放置。一种由四个时隙天线组成的四端口MIMO阵列被提出，并选择了各时隙之间的最佳距离以保证天线的隔离度大于13db（Chen等人，2019年）。设计了一种由八槽天线组成的超宽带（3.3-6.0ghz）八天线MIMO阵列（Zhang等人，2019）。在不采用任何解耦结构的情况下，通过选择适当的单元间距，MIMO阵列的隔离度高于11db（Zhang等人，2019）。
由于空间有限，仅通过调整单元之间的距离来提高隔离性能会收到限制。因此，要选择调整不同的因素来减少相互耦合（Al Hadi等人，2014；Deng等人，2018；Li YX等人，2018a；Jin等人，2019年）。四个时隙和六个单极子构成一个十元MIMO阵列（Deng等人，2018年），通过沿系统主板的四个侧面交替放置两个元件，可获得高于11db的隔离度。一种具有三种单元的12端口MIMO阵列被提出，其中8个单元可以覆盖3400-3800 MHz，6个单元在5150-5925 MHz的频率范围内工作（Li YX等人，2018a），为了加强隔离，沿着系统主板的四个边缘交替布置了不同的元件（图1）。
通过选择适当的距离和选择不同的因素来确保隔离度的MIMO阵列在表1中进行了比较。根据表1，仅通过选择适当的距离或选择不同的因素，MIMO阵列（八个元素或八个以上元素）的隔离度在3.5ghz下仅为12db左右。调整元件之间的距离以获得可接受的隔离可能导致MIMO系统的尺寸太大。
2.2外部解耦结构
增加外部解耦结构是进一步提高隔离性能的有效方法。加载外部解耦结构的方法包括NL技术、DGS技术和接地分支。NL技术可以引入反向耦合，以减轻在特定频率下两个天线之间的现有耦合（Diallo等人，2006）。由于NL技术可以有效地抑制耦合，因此被广泛应用于多天线MIMO阵列的隔离。一种由四个开槽天线组成的四天线线性（QAL）阵列被设计出来（Wong等人，2015、2016），由于四个开槽天线之间的距离较短，因此使用了三个NL来提高隔离度。八或十六天线MIMO阵列利用QAL阵列可以实现可接受的隔离度（gt;10db）。Lu等人（2016）文章中采用两个NLs来提高紧凑型四天线阵列的隔离度。如Ban（2016）等人所述，在考虑4G和5G天线模块的情况下，提出了一种混合天线（图2）。当两个4G天线放置在地平面的同一底部边缘时，两个天线之间的耦合是不可避免的。因此，应用NL来增强隔离度（gt;10db）。由四个双频段天线组成的QAL阵列位于侧边框架（Guo等人，2018），由于两个相邻天线之间的距离只有10毫米，因此加载NL进行解耦。采用两个位于地平面两长边的QAL阵列，可以实现8天线MIMO阵列，互耦小于11.5db。
DGS技术通过在地平面上蚀刻周期性或非周期性结构来减少耦合。采用DGS技术进行隔离，首次用特征模理论（CMT）分析了DGS的特性。通过将DGS加载到块耦合模式可以实现高隔离度（Ghalib和Sharawi，2017）。NL和DGS都被用来保证所提出的八天线MIMO阵列（图3）的高隔离度（gt;15db）（Jiang等人，2019a）。八天线MIMO由四个U形耦合fed环路元件和四个L形耦合fed环路元件组成。NL的引入加强了天线2和天线3（天线6和天线7）的隔离度，DSG的应用加强了天线1和天线2的隔离度。
在Xu等人（2017）和Jiang等人（2019b）的文章中，采用接地支路减少耦合。提出了一种由8个折叠单极子天线构成的8元MIMO阵列，它可以覆盖2400-2700Mhz和3300-3600Mhz（Jiang等人，2019b），为了获得高隔离度（gt;12.5db），在位于同一长边中心区域的两个元件之间插入接地分支（图4）。在Xu等人（2017）文章中，研究了多模态解耦技术，实现了宽带/多频段解耦，提出了一种利用多解耦元件的八天线MIMO天线阵，可以获得20db以上的隔离度。
表2给出了采用附加解耦结构的这些天线的比较。根据表2，借助于解耦结构，5G MIMO阵列的隔离度可以提高到20db。虽然NL、DGS和接地支路可以缓解耦合，但它们都存在一些不足。显然，NL、DGS和接地分支将增加MIMO系统的复杂性并占用额外的空间。
2.3正交模式
正交模技术是一种无需任何外部结构的有效解耦方法。目前，该技术已广泛应用于提高5G多天线MIMO阵列的隔离度（Qin等人，2016；Li MY等人，2016、2017、2018；Li YX等人，2018b；Sun等人，2018a、2018b；Parchin等人，2019；Ren等人，2019）。
采用正交极化的L形单极缝隙天线和C形耦合馈电天线的两种单元构成八端口MIMO阵列（Li MY等人，2016）。一种由T形耦合馈电缝隙天线构成的十元MIMO阵列被设计出来，采用正交极化方法，沿地平面短边布置四元天线，沿地平面长边布置六元天线（Li YX等人，2018b），如图5所示。虽然应用正交极化技术可以获得低互耦（Li MY 等人，2016；Qin 等人.，2016；Li YX 等人.，2018b），但多天线MIMO系统占用的空间很大。因此，已经研究了在紧凑MIMO尺寸内应用正交模式技术（Li MY et al.，2017、2018；Parchin et al.，2019）。
从一个方环的两个垂直边缘馈入可以产生两个正交极化波。由于两个端口的正交极化，可以获得可接受的隔离度（gt;13db）。通过采用位于系统地平面四角的四个方形环路，实现了八端口MIMO系统（Li MY等人，2017）。图6显示了由两个正交放置的开口槽和一个四分之一模衬底集成波导天线组成的三极化构建块（Li MY等人，2018）。这两个开口槽产生一个x极化波和一个y极化波。四分之一模基片集成波导天线产生z极化波。在模块中的三个天线产生三个正交极化波。因此，三天线模块的隔离度很高。一种基于三极化积木的12元MIMO阵列被提出。为了进一步提高隔离度（gt;12.5db），在位于地平面同一短边的两个模块之间使用NL。一种具有两个端口的方槽辐射器被设计出来，它可以产生两个线极化波（图7）（Parchin等人，2019）。为了进一步减少两端口之间的相互耦合，采用了一对开放式寄生结构。通过在主板的四个角上设置四个这样的方形槽，实现了一种隔离度大于15db的八天线MIMO系统。在Li MY等人，（2017、2018）和Parchin等人，（2019年）文章中正交模式技术的应用在缓解相互耦合方面是有效的，并且MIMO系统的大小被减小。然而，这些MIMO阵列仍然不够紧凑。
《太阳报》等，（2018a，2018b）和Ren等人，（2019年）文章中提出了具有正交极化的紧凑型二元模块。《太阳报》等，（2018a）文章中将弯曲单极子和边馈偶极子紧密地排列在一起，构成一个具有高隔离度的紧凑型模块。由于两个天线的正交极化，该模块的互耦小于-20db。在Ren等人，（2019年）文章中采用正交模技术，提出了一种具有良好隔离性能的紧凑型模块。虽然两个天线之间的物理距离为零，但模块的隔离度高于19db。四个这样的模块带来了具有理想隔离度的紧凑型八单元MIMO天线（图8）。
CMT是设计高隔离度多天线MIMO的有效方法。如果远场区域的特征场是正交的，则利用这一特性可以获得较低的ECC。
使用CMT设计了具有可接受隔离和ECC的双端口MIMO，其中两个天线激发的模式是正交的（Qu等人，2017）。CMT很难为设计多模多天线系统提供有效的信息。通过平衡等相模式和反相模式，可以获得理想的ECC（Liu Y et al.，2019）。采用这种方法设计了一个八元MIMO系统，表现出高隔离度（gt;15db）和低ECC（lt;0.16）（图9）。
近年来，CMT被广泛应用于指导天线设计。为了设计5G应用的多天线MIMO系统，CMT可以提供有效的信息。综上所述，CMT在5g MIMO阵列中具有巨大的应用潜力。
表3给出了利用正交模式的这些天线的比较。根据表3，采用正交模式可以将隔离度提高到17db。在考虑MIMO阵列尺寸的情况下，采用正交模式进行解耦是一个挑战，需要研究。
2.4其他解耦方法
除上述方法外，还有许多其他有效的解耦方法。
Wong等人文章（2017）和蔡等人文章（2018）中，提出了一种由两个非对称镜像环形天线组成的非常紧凑的结构区来实现多天线MIMO阵列。通过不对称布置两个镜像环天线，获得了可接受的隔离度。在3.3-6.0ghz范围内，提出了一种由四个耦合馈电倒F天线构成的超宽带（UWB）四天线MIMO阵列（Wong等人，2018b）。为了提高隔离度，将位于地平面同一侧的两个天线的短条相互面对放置，隔离度大于10db。
为了减少耦合，自隔离天线被研究出来（Wong等人，2019a，2019b；Zhao和Ren，2019a，2019b）。除了用作辐射元件外，所提出的紧凑型自隔离天线还可以用作解耦结构（Zhao and Ren，2019b），由此提出了一种不采用附加解耦结构的八天线MIMO阵列。为了减小MIMO系统的尺寸，两个具有连接部分的天线被研究出来（Wong等人，2019a，2019b），两个天线的连接部分不仅作为谐振路径的一部分工作，而且作为带通谐振结构进行解耦。
如果地平面上的感应电流仅局限于出口附近，则流向或影响邻近出口的相应地电流将很弱。因此，研究了地面效应减小的天线以增强隔离度（Liu DQ等人，2018；Li YX等人，2019）。为了实现降低地面效应的特性，在平面倒扇天线上添加了垂直金属片（Liu DQ等人，2018）。使用八个这样的天线，可以实现一个隔离度大于10db的手机MIMO系统。一种新型的平衡模式开槽天线被研究出来，并将其用于实现高隔离度（gt;17.5db）的八元MIMO系统（Li YX等人，2019）。在Liu DQ等人（2018）和Li YX等人（2019）文章中，虽然实现了地面效应降低的天线，但8天线MIMO系统的尺寸仍然很大。
为了加强隔离，研究了电场的稳定零点（Zhao等人，2018）。通过在电场的稳定零点放置另一根天线，获得的隔离度大于25db。
最近，Deng 等人（2019）文章中提出了在最小电流位置加载电感或在最大电流位置加载电容的方法，以减少互耦。提出了一种紧密排列的八天线MIMO阵列，其隔离度大于11.6db，其中两个相邻单元之间的距离仅为1mm。
上述方法对于分离两个单元之间的相互耦合是有效的。表4总结了采用这些方法的MIMO系统的性能。可见多天线MIMO阵列的隔离度应用这些方法可以提高到20分贝左右。然而，在紧凑的MIMO尺寸内有效地增强隔离度需要进一步的研究。
3结论
日益增长的信道容量需求，加速了MIMO技术的研究。众所周知，严重的互耦和较差的ECC将导致MIMO系统信道容量的恶化。对于未来的智能手机应用来说，获得高隔离度并保持紧凑是很难实现的。本文简要回顾了近年来在Sub=6ghz频段多输入多输出（MIMO）阵列解耦方法方面的
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