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随着第五代移动通信技术(TheFifthGeneration,5G)快速发展,为满足同时多用户、低延迟、高信道容量等特点,大规模多输入多输出(MassiveMultiple-InputandMultiple-Output,Massive-MIMO)天线阵列成为了5G基站天线的关键技术。另一方面,由于基站铁塔上天面资源极其紧张,业内希望5G天线和已有的2G/3G/LTE天线阵列共享同一辐射口面,即实现多频共口径工作。由于5G天线阵列规模庞大且结构复杂,包含5G天线阵列的双频和多频基站天线设计仍然面临许多挑战。本文面向实际工程需求,着重研究了基于频率选择表面(FrequencySelectiveSurface,FSS)的双频共口径天线设计方法以及特征模理论在实际基站天线阵列中的应用。论文主要包含两个部分的内容,第一部分为基于FSS的双频共口径天线设计方法,它涵盖了基于FSS的双频共口径拓扑描述、基于该拓扑结构的大规模MIMO天线设计以及高效率透波FSS设计及其在双频天线中的应用;第二部分为探索特征模理论在实际复杂结构基站天线中的分析方法。本文的主要工作及成果可以概括如下:1.提出了一种可实现频率分层的双频共口径天线拓扑结构,并以一个小规模双频双极化天线阵列为例,阐述了该拓扑结构在异频去耦方面的特点及优势。在该拓扑结构中,5G天线阵列(高频天线)放置在FSS之上,2G/LTE天线(低频天线)置于FSS之下。利用FSS对高频电磁波呈理想反射特性实现了高频电磁波与低频天线物理分层,达到了良好的高低频天线异频去耦效果。在该拓扑结构中,高频天线排布自由度较传统双频基站天线更高,可实现高频天线阵列由一维线阵形式向二维面阵拓展。另一方面,FSS对低频天线还具有容性加载作用,可显著降低低频天线剖面高度,实现了整体天线结构紧凑化设计。2.提出了三种应用于大规模MIMO天线阵列的双频共口径去耦方法。在基于FSS的双频拓扑中由于高低频天线为上下堆叠放置,当高频天线阵列规模增加时,高频阵列馈线与低频天线将出现严重异频耦合。同时,高频阵列自身也因阵元间距减小而存在同频互耦问题。为解决双频大规模MIMO共口径阵列中同频及异频互耦问题,本文提出了三种新型去耦结构,其分别是:非等宽矩形环FSS、分离式围栏以及螺旋式同轴馈线。该三种去耦结构分别解决了大规模MIMO天线阵列矩形栅格排布、高频天线阵列同频互耦以及高频阵列馈线与低频天线异频互耦问题。通过该三种去耦结构,成功将基于FSS的双频共口径拓扑应用到大规模MIMO天线阵列中,在250mm×344mm×73mm空间内实现了32端口的5GMIMO天线阵列(3.3-5.0GHz)与2端口2G/LTE天线单元(0.69-0.96GHz)共口径工作。3.提出了一种高效率透波网格频率选择表面(GridFrequencySelectiveSurface,GFSS)设计方法。该GFSS设计方法优势在于可在单层介质条件下同时实现可独立调节的通带与阻带特性。利用GFSS对3G/LTE天线(中频天线)理想反射特性,本文在5G(高频天线)与3G/LTE天线共口径组阵系统中实现了良好的异频互耦抑制。同时,GFSS对高频天线具有良好的近场透波特性,可避免对高频天线辐射特性产生影响,无需对高频天线进行二次优化。该GFSS设计方法还具有物理结构与等效电路对应关系清晰的特点,可通过等效电路模型快速调节其通阻特性。同时,本文引入散射场分析,从场的角度分析GFSS反射与透射机理。通过对比GFSS与传统FSS通带内散射场分布,直观展示了不同结构FSS透波机理,清晰定位了传统FSS在实际天线阵列中通带特性恶化问题。基于GFSS,本文实现了1.7-2.4GHz与3.3-3.8GHz天线双频共口径阵列样机。仿真和实测结果均表明GFSS成功解决了5G天线阵列对3G/LTE天线的异频干扰,且对5G天线辐射性能无明显影响。该设计方法还具有良好通用性,本文设计了一款针对阵列带外增益抑制需求的GFSS,实现了带内阵列增益影响小于1dB,带外增益抑制大于11dB。4.探索了在复杂结构基站天线中特征模理论应用分析方法。2011年,B.D.Rains在其博士论文中首次提出了子结构特征模理论(SubstructureCharacteristicMode,SCM)与目标耦合模式特征模理论(TargetCouplingCharacteristicMode,TCCM)。本文将该理论引入基站天线分析之中,从模式的角度出发,本文清晰地解释了低剖面天线工作原理与天线阵列去耦机理。首先利用子结构特征模理论分析了FSS加载低剖面天线。通过分析FSS结构对馈源天线工作模式的影响以及馈源天线对FSS辐射模式的加强作用,解释了该天线低剖面工作机理。其次通过目标耦合模式特征模理论分析了天线阵列中耦合模式与辐射模式的构成关系,定位了去耦目标及方法。并结合子结构特征模理论分析了分离式围栏对天线非工作辐射模式的影响,解释了该结构抑制同频耦合机理。