MIMO、大规模MIMO和具有多波束能力的MU-MIMO对于5G通信系统至关重要，能够提供诸如增加频谱效率、提高容量和更高数据速率等优势。然而，它们也面临一些挑战，比如高能耗、互耦合和干扰，可以通过各种策略来克服，比如天线解耦和自适应调制。基于互耦合减少的MIMO天线设计技术对于提高天线性能至关重要。针对5G通信的MIMO天线技术正处于快速发展阶段，未来的研究应该专注于开发低成本、紧凑型的MIMO天线，具有良好的辐射和电磁特性，并能覆盖整个5G频率范围。天线阵列的微型化也是必要的，以改善隔离性并减少多径干扰。发展先进的MIMO天线技术对于实现5G无线通信系统的全部潜力至关重要。
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1. MIMO
“MIMO"曾经用来指代在发送器和接收器上使用多个天线。在最近的用法中，MIMO通常指的是一种通过多径传播手段，在单个无线电信道上发送和接收多个数据信号的实际技术。MIMO处理可以分为三个主要类别——预编码、波束成形和解码。MIMO系统的一般模型如图1所示，其中Tx表示多个发送天线，Rx表示多个接收天线，H为信道。MIMO通信系统在输入端执行信号处理和编码功能，而在系统输出端执行信号处理和解码。MIMO通道包括一个射频组件，以改善端到端的传输功能。在发送端（Tx），从发送信道（TxH）传输的数据流被编码成离散时间复基带信号，然后输入到波束成形设置中。
图1 MIMO系统的一般模型
接着，输入信号在空间中进行分配。输入信号被转换成连续时间基带的离散时间信号，随后输入信号被送入接收端的波束成形网络。接收通道（RxH）将输入信号连接到接收器（Rx）。然后信号被转换成离散时间基带信号，信号解码器估计传输信号流并接收输出信号。
2. 大规模MIMO技术
大规模多输入多输出（massive MIMO）是一种无线通信技术，由Marzetta在2010年提出。它被设计用于存在时分双工（TDD）和多个小区的场景。在大规模MIMO中，一个基站配备有大量天线，通常是100个或更多，远远超过目前通信系统所使用的数量。这使得其具备更高的无线通信容量和性能。传统通信网络中的移动终端通常采用单天线接收，每个终端只有一个天线用于信号接收。
而在大规模MIMO中，尽管移动终端继续使用单一天线进行接收，但基站却包括大量用于广播和接收信号的天线。多个用户可以利用相同的时频资源进行空间复用，这是由基站使用多个天线实现的。这意味着基站可以同时与多个移动终端进行通信，提高了系统的整体容量。这一领域一直是研究的热点，并在包括TDD和多小区环境在内的各种场景中显示出了有希望的结果。核心的大规模MIMO范式如图2所示。
图2 大规模MIMO的基本模型图
2.1 大规模MIMO的优势：
1. 提高频谱效率：利用大量天线，大规模MIMO可以支持更多同时连接，并提高整体数据传输速率。
2. 增强链路可靠性：多天线提供的空间多样性有助于抵抗衰落，并提高无线链路的可靠性。
3. 精确波束成形：大规模MIMO可以进行高度定向的波束成形，从而改善信号质量和干扰管理能力。
4. 抑制干扰：通过对来自不同用户的信号进行空间分离，大规模MIMO可以减轻干扰并提高系统性能。
3. 多用户MIMO
多用户MIMO（MU-MIMO）是一种无线通信技术，允许多个用户在同一频率通道上利用发射端和接收端的多个天线同时发送和接收数据。经典MIMO系统通过使用多个天线来增加数据吞吐量、可靠性或覆盖范围，提升了单个用户传输的性能。然而，MU-MIMO在此基础上进一步发展，允许同时为多个用户提供服务，极大提升了系统的整体频谱效率和用户容量。
当多用户MIMO和多波束能力结合时，可以创建一种强大的技术，使无线接入点（AP）能够同时向多个用户广播多个数据波束。这在用户密度较高的环境下特别有益，例如公共场所、办公楼和体育场馆。通过同时为多个用户提供高速连接，多用户MIMO和多波束能力提升了无线网络的整体性能。此外，它减少了重叠传输带来的干扰和信号退化，提高了网络的可靠性和效率。
3.1. 多用户MIMO的优势
1. 增加系统容量：多用户MIMO允许基站同时为多个用户提供服务，有效提高了无线系统的整体容量。
2. 公平资源分配：通过将可用资源分配给不同用户，多用户MIMO提供公平性，并改善用户体验。
3. 提升网络效率：多用户MIMO减少向多个用户传输数据所需的时间，从而提高了网络效率并减少了延迟。
大规模MIMO和多用户MIMO是现代无线通信系统中的关键技术。它们通过利用空间多样性、波束成形和干扰抑制技术实现了更高的数据速率、增加的系统容量、更好的频谱效率和改善的整体性能。表1对上述三种MIMO技术之间的主要区别进行了比较。"
4.MIMO天线在5G应用中的优势与挑战
4.1. 优势：
1. MIMO天线通过在相同频段上同时传输和接收多个数据流，实现了更快的数据传输速率。
2. 利用多个天线，它们允许多个用户同时进行数据传输和接收，增加了无线网络的容量。
3. 这些天线使用多个天线来减轻干扰和信号衰减的影响，使通信更加可靠。
4. 它们可以通过波束成形技术将信号聚焦在特定方向，改善覆盖范围。
5. 它们可以利用相同的频段传输多个数据流，提供更高的频谱效率。
4.2. 主要挑战：
1. 在紧凑空间中设计具有多个元件的MIMO天线可能具有挑战性。
2. 由于使用多个天线和信号处理技术，这些天线需要更高的功耗。
3. 由于其复杂的设计和额外的组件，它们可能在设计和制造上成本较高。
4. 这些天线可能与所有设备不兼容，并且其效果可能因设备的位置和方向而异。
5. 它们可能会受到其他无线设备的干扰，这可能会影响无线网络的性能。
5. 5G中MIMO天线的进展
为了克服5G中与MIMO技术相关的挑战，比如辐射损耗、效率低下、受限带宽和增益低等问题，开发符合高增益、宽带和高效率基本要求的天线至关重要。已经确定了几种策略来提升MIMO天线的性能，如图3所示。
1. MIMO天线的最佳布置对其性能至关重要。为了最小化互耦合并提高性能，天线应该距离操作频率的半波长以上。
2. MIMO天线系统中的多样性通过利用具有不同辐射模式的物理分离天线，提升可靠性并减轻衰落效应。这改善了链路性能并降低了信号退化的影响。
3. 极化多样性是一种通过利用具有不同极化方式的天线来增强MIMO天线性能的技术，提高了连接性和系统性能。
4. 波束成形是一种信号处理技术，通过将辐射模式定向到特定方向，改善了MIMO天线性能，从而增强了信噪比并扩展了链路范围。
5. 干扰是MIMO天线系统中的一个重要挑战。采用各种方法，如自适应滤波、天线选择和干扰消除，来减轻干扰并提高系统性能。
6. 频率多样性是提升MIMO天线性能的另一种方法。通过利用在不同频率下工作的天线，系统可以获得频率多样性的好处，从而改善链路质量和整体系统性能。
图3 增强MIMO天线性能的策略
6.基于减小互耦合的MIMO天线设计技术
MIMO系统中密切相关的互元件之间的互耦合可能对其性能产生不利影响。因此，在有效的通信系统中，实现紧密协调元件之间良好的隔离是至关重要的。天线系统的有效性受其通信系统的容量增益的显著影响，因此，对于5G通信和宽带应用，互耦合的减小是MIMO天线设计的关键考虑因素。已经开发了各种解耦和设计技术，并可以有效地应用以实现卓越的性能。MIMO天线设计的摘要可在中找到，而用于减小互耦合的具体天线设计可以在中找到。
在MIMO天线设计的背景下，多元素天线阵列最显著的特征之一是位于印刷电路板（PCB）上的天线元件的潜在影响。因此，必须仔细关注天线系统的布局，如图4所详细描述的。通过遵循适当的布局技术，可以最小化紧密协调元件之间的互耦合的不利影响，从而改善了MIMO通信系统的性能。
图4 MIMO天线设计和减小技术的通用视图
6.1. 印制天线
微带天线，也被称为印制天线（见图5），是一种利用薄导电金属条或片印制在介质基板上构建的天线类型。基板通常由玻璃纤维、陶瓷或聚四氟乙烯等材料制成，既提供电气绝缘又提供机械支撑。导电条通常由铜或铝制成，并设计以在特定频率上共振。微带天线的优点包括耐用性、灵活性、紧凑性和价格实惠。由于其扁平且低轮廓的结构，它们易于集成到各种设备和系统中，包括便携式通信设备和航空航天应用。它们还可以使用标准的印刷电路板（PCB）技术轻松制造，这使它们成为军事和商业领域的经济有效选择。
图5 印制MIMO天线
6.2介质谐振天线（DRA）
介质谐振天线（DRA）是一种专门用于微波和更高频通信的天线类型。它由陶瓷块组成，称为介质谐振子，放置在金属接地板的顶部。当无线电波通过天线传输时，它们进入谐振器材料并在其内部形成驻波，反复在其壁上来回反射。这些波的能量可以通过谐振器的壁部分透过，传输到周围的空间中。这种独特的设计使得DRA成为高频通信应用中非常有效和高效的天线。例如，图6展示了一个柱形谐振器MIMO天线。
图6 柱形谐振器MIMO天线
6.3 可重构天线
可连续、可控且可逆转地改变其频率和辐射特性的天线被称为可重构天线。在工作频率、波束形成、极化和其他特性方面，这些天线可以执行各种任务。通过控制电气、机械、物理或光学开关来调节特定的切换机制，可以实现动态调谐（见图7）。
图7 可重构天线
6.4 超材料天线
超材料天线利用超材料来增强电气小型或微型化天线系统的性能。这些天线可以显著减小天线的尺寸，同时提高其他天线特性，如带宽、增益和多频段频率功能。通过将超材料纳入设计中，它们可以实现比传统天线更优越的性能。图8展示了一个利用超材料的天线结构示例。
图8 超材料天线结构
6.5 电磁带隙结构
电磁带隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）结构作为电磁波传输的通道。这种结构具有高效率和低互耦合。它能够获得宽带间隙扩宽的散射参数。可以在所需方向实现远场增益图案。图9展示了利用EBG结构的天线。
图9 电磁带隙结构
6.6 中性化线
为了完全解耦或减小互耦合的影响，可以利用中性化线（Neutralization Lines）通过天线元件之间的金属缝隙或集总元件来传输电磁波。这可以增强天线的耦合和带宽。图10展示了基于两元素MIMO天线示例的中性化线。
图10带中和线的两端口 MIMO 天线。
6.7 缺陷接地结构
在天线接地平面上，会有各种几何特征、缺陷或槽结构。采用缺陷接地结构（defected ground structure, DGS）的建构可以获得最高效率，且在低互耦合情况下拥有最宽带宽。图11描绘了一个具有缺陷接地结构（DGS）的贴片天线示意图。DGS是一种设计技术，通过在贴片下方的接地平面引入不连续性来增强天线性能。
图11 贴片天线的缺陷接地结构
6.8 解耦网络
解耦网络通过引入离散元件或传输线，将解耦网络中的交叉导纳变成完全虚构的值。这种方法利用了类似共振器的平面解耦网络来减小互耦合。解耦可以通过实现耦合谐振器和虚拟负载来改善隔离性，并为多元件系统产生模式多样性。图12展示了一个贴片天线的解耦网络示例。它旨在减小贴片天线阵列中两个相邻贴片之间的耦合。该网络由一系列电感器和电容器组成，并被巧妙地放置在贴片之间，为不需要的耦合信号提供高阻抗路径。这有效地隔离了贴片，减小了互耦合，提升了天线阵列的性能。
图12 具有解耦结构的两个元件天线
6.9 寄生槽元件
一个寄生元件通常是一个导电元件，比如金属杆，它在天线系统中没有与任何其他元件电气连接。图13显示了一个利用寄生槽元件的印刷天线的示例
图13 基于寄生槽元件的印刷天线
在天线设计中使用寄生槽元件有多个好处。例如，它有助于提高天线的指向性、增益和带宽。寄生槽元件通常放置在辐射元件附近，通过改变辐射元件周围的电场分布来发挥作用。这种改变导致了天线辐射图案的变化，从而增强了其性能。
6.10 分裂环谐振器
分裂环谐振器（Split-Ring Resonator，SRR）是通过在介质基板上刻蚀两个圆形金属环而创建的。这些环可以是方形或圆形，并且在它们相对的端部有缝隙。环中的裂缝产生了结构上的不均匀性，使得SRR可以适应比环直径长得多的共振波长。环中的裂缝还提供了大量的电容，这使得谐振器可以在远高于其实际尺寸的频率产生共振。这是由于电容与共振频率之间的反向关系导致的。由于SRR的几何形状、谐振频率和其他固有特性之间的相互作用，SRR的谐振波长显著大于其物理尺寸。这种现象是由于SRR的互连结构的复杂性所导致的，并且在设计和分析其行为时需要仔细考虑。图14中的天线是基于SRR的。
图14 基于分裂环谐振器的天线
学术引用:
O. Sokunbi and H. Attia, “Dual-layer dual-patch EBG structure for isolation enhancement and correlation reduction in MIMO antenna arrays,” Progress in Electromagnetics Research C, vol. 100, pp. 233–245, 2020.
Poonam Tiwari, Vishant Gahlaut, Meenu Kaushik, Preeti Rani, Anshuman Shastri, Bhupender Singh, "Advancing 5G Connectivity: A Comprehensive Review of MIMO Antennas for 5G Applications", International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2023, Article ID 5906721, 19 pages, 2023. https://doi.org/10.1155/2023/5906721
W. A. Ali and A. A. Ibrahim, “A compact double-sided MIMO antenna with an improved isolation for UWB applications,” AEU-International Journal of Electronics and Communications, vol. 82, pp. 7–13, 2017.
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