[论文解读] Design of a Planar Eleven Antenna for Optimal MIMO Performance as a Wideband Micro Base-station Antenna

Aidin Razavi, Wenjie Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2018

Antenna Design and Analysis参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文提出一种低剖面平面十一振子天线，专为1.6–2.8 GHz频段内微基站中的2、4和8端口MIMO通信而优化。通过遗传算法优化，该天线在随机视 Line-of-Sight（Random-LOS）和RIMP环境（混响室）下均实现了高MIMO效率，其中4端口模式性能最佳，得益于更优的分集增益与嵌入式效率。

ABSTRACT

A new low-profile planar Eleven antenna is designed for optimal MIMO performance as a wideband MIMO antenna for micro base-stations in future wireless communication systems. The design objective has been to optimize both the reflection coefficient at the input port of the antenna and the 1-bitstream and 2-bitstream MIMO efficiency of the antenna at the same time, in both the Rich Isotropic MultiPath (RIMP) and Random Line-of-Sight (Random-LOS) environments. The planar Eleven antenna can be operated in 2-, 4-, and 8-port modes with slight modifications. The optimization is performed using genetic algorithms. The effects of polarization deficiencies and antenna total embedded efficiency on the MIMO performance of the antenna are further studied. A prototype of the antenna has been fabricated and the design has been verified by measurements against the simulations.

研究动机与目标

• 解决未来5G微基站部署中对低剖面、超宽带、多端口MIMO天线的需求。
• 在1.6–2.8 GHz频段内同时优化输入驻波比（反射系数）与MIMO效率，以提升系统级性能。
• 在真实边缘环境——Random-LOS与RIMP——中评估性能，因为实际场景介于两者之间。
• 研究极化失配与总嵌入效率对MIMO覆盖范围与系统吞吐量的影响。
• 证明同一平面十一振子结构可在2、4和8端口模式下通过极少结构改动实现有效重构。

提出的方法

• 采用遗传算法，同时优化1.6–2.8 GHz频段内的反射系数以及1比特流/2比特流MIMO效率。
• 设计一种平面双极化十一振子天线，通过两个正交分支位于不同平面以支持双极化分集。
• 使用ViRM-lab软件模拟在Random-LOS与RIMP环境中任意入射波下的系统级MIMO性能。
• 通过幅度不平衡（Iₐ）与极化相关性（Iₚ）指标定义并分析极化失配，以量化空间MIMO覆盖退化程度。
• 制作原型并基于测量验证，分别在RIMP（混响室）与Random-LOS（电波暗室）环境中对比仿真结果。
• 评估2、4和8端口模式下各端口的总嵌入效率，以建立硬件性能与MIMO效率之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 该平面十一振子MIMO天线在1.6–2.8 GHz频段内，于Random-LOS与RIMP环境中MIMO效率表现如何？
• RQ2 极化失配（Iₐ与Iₚ）对MIMO覆盖空间分布与系统级性能有何影响？
• RQ3 增加端口数量（2、4、8）对MIMO效率有何影响？总嵌入效率在此权衡中起何作用？
• RQ4 同一平面十一振子结构能否通过极少修改实现2、4和8端口模式的有效重构？
• RQ5 在MIMO效率与系统鲁棒性方面，4端口模式是否优于2端口与8端口模式？

主要发现

• 4端口模式在1.6–2.8 GHz频段内实现了最高的MIMO效率，优于2端口与8端口配置，归因于更优的分集增益与更低的相关性。
• 8端口模式因总嵌入效率较低及阻抗匹配不理想，导致MIMO效率下降，尽管端口数量增加。
• 极化失配（Iₐ与Iₚ）在1.6 GHz与2.8 GHz频点最高，导致MIMO覆盖范围降低，并增加实现95%检测概率所需功率。
• 实测结果与仿真结果高度吻合，验证了设计与优化方法在RIMP与Random-LOS环境中的有效性。
• 2端口模式在频段内保持可接受的MIMO效率且波动较小，但其分集增益低于4端口配置。
• 平面结构便于制造且适合壁挂安装，适用于低剖面微基站应用。