一种用于增强MIMO阵列性能的基于相位纠正表面(PCS)的近场优化技术

尽管业界在大规模多输入多输出（MIMO）阵列设计方面投入许多精力，然而，多径情况下，增加阵列隔离度这种对传统阵列天线特性的改进并不能确保能够显著地提升MIMO性能，尽管其依然有提升的空间。由于阵列空间尺寸的限制和传播信道的有限的角度扩展，MIMO天线单元之间不可避免地具有相关性，过高的相关性会降低阵列的MIMO性能。针对降低阵列相关性这个问题，以往的研究已经提出了一些去相关技术，主要着眼于倾斜天线单元波束或增加阵列天线单元相位中心的间距来实现。但是，这些方法主要对较小规模的阵列具有效果

本文“MIMO Performance Enhancement of MIMO Arrays Using PCS-based Near-field Optimization Technique” 由西安交通大学王逸鹏担任第一作者、陈晓明教授担任通讯作者撰写，主要针对非均匀多径条件下，大规模MIMO阵列的去相关和MIMO性能提升问题，提出了一种基于相位纠正表面(PCS)的近场优化技术。

基于相位纠正表面的近场优化技术主要通过降低MIMO阵列天线相关性，提升阵列自由度（DoF）来提高多径环境下MIMO阵列的性能。在优化过程中，MIMO信道容量是目标函数中评估的最终指标，自由度是评估阵列在多径情况下的天线相关性的指标，这两种指标均可以通过MIMO信道矩阵和阵列方向图计算得到。整个优化算法确保阵列在自由度提升一定程度的前提下，MIMO阵列容量达到最大值。在多径情况下，最佳阵列和现有阵列之间存在着性能差距。因此，有可能通过改变阵列口面上的近场相位分布，从而对远场方向图施加影响，以获得更好的MIMO性能。因此，口面近场相位分布为优化过程中的优化变量。论文所提出的基于PCS的近场优化技术主要由两个步骤组成。首先，利用近场信道模型结合优化算法来获得提升MIMO容量和自由度的近场相位分布。所建立的平面近场信道模型能够在球面波的前提下描述阵列口面近场相位分布。此外，平面近远场转换算法可以作为连接平面近场和远场方向图的桥梁。在平面近场信道模型的建立过程中，使用了一种平面近场的正交基表示，使得优化过程的计算负担大大减少。其次，由具有不同平面波传输系数的正方形单元构成PCS，将其加载在阵列口面上，以实现优化过程中所得到的阵列口面近场相位分布。论文中用两个实例证明了这种基于PCS的近场优化技术的有效性。一个是1× 4的工作在2.4 GHz的双极化贴片阵列加载2× 4的单元中心间距为0.6λ 的PCS。另一个是2× 8的双极化偶极子阵列加载4× 8的单元中心间距为0.4λ 的PCS。两个MIMO阵列的信道容量和自由度在主要考虑角度扩展的单小区多径环境中均可以提高约8%。此外，2× 8的双极化偶极子阵列的MIMO性能在更实际的、包括UE路径损耗和小区内、小区间干扰的多小区多径场景下可以实现10%的提升。最后，加载PCS的1× 4双极化贴片阵列被加工成实物并进行了天线传统特性的测试。测试结果表明，阵列所加载的PCS对阵列天线之间的耦合、天线单元的匹配和天线单元的辐射效率影响不大，而方向图的改变则有利于提升阵列的自由度和MIMO信道容量。与以往主要应用于小型MIMO阵列的去相关方法不同，基于PCS的近场优化技术可以应用于大型MIMO阵列并有效提高MIMO性能，在减少阵列相关性的同时确保良好的小区覆盖。

该项工作部分得到了国家自然科学基金（No. 62171362）的资助。

更多详情请阅原文：

Wang Y P, Chen X M, Pei H L, et al. MIMO Performance Enhancement of MIMO Arrays Using PCS-based Near-field Optimization Technique. Sci China Inf Sci, 2023.

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11432-022-3595-y