本文版权为《邮电设计技术》所有，如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部
摘要：大规模3D MIMO半波天线的小型化研究一直是一个热门课题，尤其在5G时代。通过天线基础理论和FDTD仿真，证明在阵列阵元间填充介质和缩小阵元间距后，同样可以获得理想的波束赋形效果。同时还研究了阵元间距与填充介质参数的关系，提出了2种在阵元间填充介质的方式方法，证明了大规模3D MIMO半波天线小型化的可行性和实用性，具有一定的研发和推广价值。
关键词：大规模3D MIMO半波天线；小型化；波束赋形；填充介质
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.01.011
概述
大规模3D MIMO半波天线是室外天线，对于安装天线的高塔来说，天线多一分重量就多一分危险，多一分体积就多一分困难；对于人口稠密的市区的选址来说，天线体积越大，对站址条件要求更高，且不美观，也增加了物业的协调难度；对于运营商的日后维护来说，体积和重量越大，受风荷载也越大，天线下倾角和方位角越易变动，越容易发生影响网络覆盖的故障。在移动通信广泛普及的今天，基站天线、室内天线、景观天线的应用已成常态，天线的小型化，尤其是大规模3D MIMO半波天线的小型化，已成为不能回避的问题。然而目前的天线小型化研究主要集中在窄频带、高Q值和低效率的微带天线系统，很少涉及传统的半波天线阵列领域。
大规模3D MIMO半波天线具有空间分集、空间复用和波束赋形等阵列增益优势，已成为移动通信系统，特别是 5G 及后续系统的重要研发课题。大规模3D MIMO半波天线的分集、复用和波束赋形与天线阵列阵元的数量和间距密切相关，尤其是波束赋形的效果是各相邻阵元间距的波程差引起的电磁波的相互干涉所致，相邻阵元间距必须能使各阵元辐射电场在远处相干相长，技术设计中多取 λ/4 和 λ/2 的整数倍。然而，随着大规模 3D MIMO 半波天线的应用，天线架构中的阵元越来越多，架构的体积越来越大，既不利于天线的制作和运输，也不利于天线的架设与安装，更不利于天线的维护及优化。小型化大规模3D MIMO半波天线，一直是厂商追求的重要目标。
大规模 3D MIMO 半波天线的研究主要集中在阵元间隔中空结构模式上，阵元数量高达 128，甚至更多，即使根据基本技术标准，阵元间半个波长的间隔也会使大规模 3D MIMO 半波天线的体型结构过于宏大。缩减阵元间距是大规模 3D MIMO 半波天线减小体积的重要途径，多年来已设计出许多可以有效缩减天线体积、具有应用价值的产品。如极化天线布局方式，可以在平面阵元布局上在相同面积时将阵元数量提高1倍，但该方式只能在二维平面内使用，在三维立体中的阵元极化引起的相互干扰太大。又如采用编码方式在相邻阵元间距较小时，可以使阵元的辐射电场尽量满足分集、复用和波束成型的设计要求，但编码方式主要针对空间分集和复用，波束赋形效果非常有限。
若能在大规模 3D MIMO 半波天线阵元间填充介质，并在波束成型设计条件下减小阵元间距，使大规模3D MIMO半波天线的体积得以缩小，同时还能做到技术难度小，研制成本低，方便安装与维护，就能够真正实现大规模 3D MIMO 半波天线的小型化。本文根据天线基础理论，研究了元天线、半波天线、半波天线阵列和三维半波天线阵列的方向图函数，研究了三维方向图函数阵因子对波束赋形的影响，研究了填充介质参数与阵元间距的关系，并通过 FDTD 仿真比较了增加填充介质、减小阵元间距和没有填充介质、保持正常阵元间距的方向图，进而证明了通过填充介质实现小型化大规模3D MIMO天线的可行性和实用性，最后研究了2种填充介质的方法。
