无线业务速率需求的快速增长推动着移动通信新技术和新频段应用的持续发展。目前移动通信的主力Sub-6G频段,面临着频谱资源枯竭的问题;毫米波频段拥有丰富的频谱资源,但路径衰减较大,需要采用更复杂的技术来改善其覆盖能力。高低频协同和先进的毫米波大规模MIMO技术,预计能够较完美地解决下一代通信系统所面临的问题。本论文旨在研究高低频协同中高效率射频结构复用技术和新颖毫米波大规模MIMO射频前端模组技术。在Sub-6G频段与毫米波频段协同的网络中,无源射频器件的高效率复用技术能够显著缓解移动终端上的空间制约难题。然而,在大频率比下,各个频段的电尺寸、工作模式和应用方式有明显的区别,复用结构的设计具有极大的挑战。本文前三章针对Sub-6G与毫米波共生系统中一体化大频率比结构复用器件进行深入研究,在传输、辐射、选频等几个方面取得重要的研究成果。当前的5G系统中,Sub-6G频段采用了全数字大规模MIMO的架构,毫米波频段采用了混合多波束大规模MIMO的架构。混合多波束大规模MIMO虽然解决了毫米波频段的传输距离问题、系统复杂度和成本等问题,但牺牲了瞬时覆盖范围,其应用基本上限制在固定无线接入方式,难以和低频段协同。基于全数字方式的非对称大规模MIMO架构,放开了收发波束对称的约束,可以对接收和发射波束独立设计与优化,能够在波束增益、数量、覆盖范围、系统容量、复杂度、成本等各关键指标中找到优秀的平衡点。支持全数字大规模MIMO的系统架构中,每个通道均需要有完整的变频和滤波器等电路,在毫米波频段上,受尺寸、性能等约束,射频前端模组的实现难度大。本文后两章针对非对称毫米波大规模MIMO基站中小型滤波器组件以及小型化射频前端等关键技术进行研究,并取得了多个创新成果。论文的主要工作与贡献如下:1.针对Sub-6G和毫米波频段共生系统的信号传输与结构互联的需求,设计了一种三维接地共面波导结构来实现接地共面波导至基片集成同轴线的过渡。相比于其它基片集成同轴线过渡转接结构,该结构在采用传统PCB工艺下拥有低加工敏感度、高物理可靠性、宽带和低插入损耗等特点。进行了实验测量,以验证相关设计的可行性和优异性。相关内容已发表于IEEE Microwave Wireless Components Letters。2.针对Sub-6G和毫米波频段共生系统的高效率辐射的需求,提出了一种可工作于两个Sub-6G和一个毫米波频段的紧凑型三频段结构复用天线。通过设计了一种能同时工作于三个频段的微带线到基片集成波导的过渡结构,从而实现了天线共用馈电端口。在基片集成波导的顶部蚀刻四个纵向缝隙,形成工作在28GHz的毫米波天线。同时,整个基片集成波导的外导体复用为一个可以分别工作在3.5GHz和4.9GHz的单极子天线。本设计的可行性通过实验获得了验证。本章内容已发表于International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering。3.针对Sub-6G和毫米波频段共生系统的频率选择需求,提出了一种基于模式复合传输线的结构复用方法来实现紧凑型大频率比多通道集成滤波器。模式复合传输线由全封闭传输线和半开放传输线组成,其中全封闭传输线的外导体可以作为半开放传输线的信号导体从而实现结构复用。与传统的多通道滤波器相比,本文提出的设计方法在每个通道中心频率、滤波器带宽和阶数的选择上具有更高的灵活性。本章内容已发表于IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs。4.针对非对称毫米波大规模MIMO系统射频通道中滤波器组件的需求,提出了一种基于耦合矩阵响应高精度拟合的滤波器设计方法,并设计了具有低加工敏感度折叠基片集成波导滤波器。采用空气加载的FSIW可实现滤波器结构纵向尺寸小型化,并减小插入损耗、降低加工复杂度。对FSIW中常见耦合结构进行了带外抑制性能和加工敏感性分析,并在提出了一种兼顾带外抑制性能和加工敏感性的感性耦合结构。提出了一种基于“J”“K”变换器交替使用的耦合矩阵响应高准确度拟合方法。基于该设计方法设计了两种通带为23.5-28GHz的八阶FSIW滤波器。相关滤波器性能通过实验进行了验证。紧凑的尺寸使其可以按照MIMO系统中天线阵列单元间距排布。5.针对非对称毫米波大规模MIMO系统架构,设计了具有宽角度覆盖能力的小型化射频前端。首先设计了一种小型化阶梯脊天线,以实现方位角120°和俯仰角80°的空间覆盖,并以此组阵。通过保持毫米波收发前端射频电路通道间距与天线单元间距相同,有效缩减了天线馈电网络以及整体射频前端尺寸,且可避免使用复杂的馈电网络,从而降低插入损耗。每个射频前端模块包含八个射频通道,模块可在垂直方向上无限叠加以实现阵列规模
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