顺应越来越多的用户需要随时随地访问大量无线数据,第五代(5G)通信系统对其无线容量、通信质量及灵敏度等要求显著提高,而相控阵技术在5G通信领域的应用迎来了新的契机。以微带贴片天线为阵元的5G基站相控阵天线顺应了未来5G通信系统有源化、集成化、小型化的商业演进方向,但也将在结构上增加基站天线中射频器件与阵元的融合度,在电性能上为平衡损耗而增大基站发射功率,使得天线工作热环境将面临更严峻的挑战。此外,由于5G毫米波波束具有高增益、高灵敏度特性,且时刻处于波束扫描或波束跟踪状态,阵面加工、阵元装配过程中产生的阵元随机位置误差对通信性能的影响也越来越凸显。本文以5G基站相控阵天线为研究对象,建立机械结构参数与通信指标的机电耦合模型,并据此推导各通信指标的灵敏度计算模型,从结构误差影响机理与基于灵敏度的公差设计两大方面展开研究。具体工作内容如下:(1)推导5G基站相控阵天线与重要通信指标—信道容量之间的机电耦合模型并加以验证。基于通信理论中香农公式与电磁波传输理论,推导出了信道容量与通信系统中收发天线电性能等参数的耦合关系模型;明确了矩形微带贴片天线单元姿态偏转与其自身方向图的耦合关系,从而建立了考虑阵元位置偏移、指向偏转以及温度馈电误差的微带贴片阵列天线机电热耦合模型并在理想与变形条件下与HFSS仿真结果进行验证;联立两耦合模型得到下行通信链路中5G基站相控阵天线阵面结构误差与馈电误差对信道容量的直接影响耦合模型。(2)基于5G基站相控阵天线针对各通信指标建立的机电热耦合模型,研究基站天线在扫描与非扫描状态下的结构误差对天线方向图、信道容量等的影响机理。在HFSS软件中设计并优化了工作频率在28GHz的微带贴片单元并组建16?16大规模阵列。以其中某一波束对应的8?8子阵列天线为研究对象,应用各耦合模型首先分析了在射频器件发热产生的阵面热载荷作用下天线方向图、信道容量及信噪比的变化情况,然后对比了非扫描状态下不同标准差的x,y,z方向阵元随机位置误差对各通信指标的影响程度,结果表明安装平面度主要影响增益、指向及信道容量等而安装精度主要影响远区副瓣,因而进一步总结了在波束扫描状态不同安装平面度作用下各通信指标的变化规律,表现为各指标性能随着扫描角?或标准差?_z的增大而降低。(3)基于电场强度与信道容量的机电耦合模型,研究各通信指标对阵元位置误差的灵敏度模型并据此进行结构公差设计。为既降低基站部署成本又保证通信质量,且鉴于不同位置阵元影响程度不同,故对各阵元公差进行定量分析。首先分别推导了阵因子电场强度与信道容量对阵元随机位置误差的灵敏度计算模型,并对比各工作角下x,y,z方向的灵敏度分布图。然后提出了一种确定阵元公差的具体方法,并结合各通信指标具体要求得到5G基站相控阵天线模型中各个阵元安装精度与平面度,最后仿真结果(增益损失0.2029dB、信道容量变化量2.2164Mbps以及最大副瓣电平抬升量2.6253dB)证明了该方法的可行性和有效性。