随着4G LTE(Long-Term Evolution)移动通信网络的大规模部署和商用,各个研究机构及一些国际标准化组织(如3GPP)开始将他们的工作重心转移到5G移动通信技术上。随时随地的宽带无线通信业务在过去的几年中迅速改变了人们的生活和工作方式。然而,随着移动数据流量需求的持续高速增长,人们需要研发新一代的移动通信系统来提供更高无线网络容量和传输速率。目前,5G通信技术已成为全球性的研究热点。相比上一代移动通信系统,5G通信系统要求具有更低时延、更高频谱效率和更高的数据传输速率(达到10Gbps峰值速率)等多方面的性能提升。毫米波频段具有大量的未被利用的频谱资源,能够提供支持5G通信容量和传输速率所需要的信道带宽。因此毫米波移动通信被认为是最具发展前景的5G技术方向之一。在系统架构上,毫米波通信系统将引入了先进的动态波束赋形和多入多出(MIMO)传输技术以获得更好的信号覆盖和更高的通信速率。这通信系统架构下,毫米波MIMO收发系统硬件实现面临诸多的挑战亟待解决。本文的研究面向5G毫米波大规模MIMO收发系统设计,解决了多个相关的关键技术和设计难题,研制了多个用于5G毫米波通信的宽带高性能毫米波MIMO收发电路和系统。研制的收发系统被成功用于5G毫米波移动通信空口测试和外场试验,取得了良好的效果。本文的主要研究工作内容和创新点如下:(1)针对5G毫米波宽带移动通信,紧密结合基带正交频分复用(OFDM)调制和传输技术,采用基带算法与射频性能协同仿真,深入分析了射频收发电路的关键特性对毫米波MIMO通信系统的性能影响以及相关的数字基带补偿处理技术,包括通道平坦度、I/Q不平衡、非线性失真、相位噪声、载波频偏、收发互易性失配几个方面。该部分的研究为MIMO-OFDM传输方案下的5G毫米波MIMO系统的射频收发机电路设计和优化提供了理论参考。(2)针对毫米波宽带天线展开研究,研制了一种用于5G毫米波大规模MIMO通信系统的宽带毫米波金属渐变缝隙天线。该天线首次提出采用SIW馈电并垂直转接到金属渐变缝隙,实现紧凑的H面半波长阵列,并与多通道收发机电路集成在同一个基板上。天线单元在22.5GHz到32GHz频率反射系数小于-15dB,天线增益约9dBi,覆盖ITU和FCC提议的多个5G毫米波频率。该宽带天线被成功用于4T4R毫米波MIMO通信系统和32单元毫米波混合波束成形通信系统等多个毫米波通信系统中,展示出了良好的性能。该部分研究成果已获得国家发明专利授权,并在国际核心期刊IEEE Transactions on Antenna and Propagation上发表。(3)针对基片集成波导(SIW)滤波器元件的设计方法和优化技术展开深入研究。SIW滤波器是毫米波收发电路的关键元件。为了实现SIW滤波器电磁设计快速优化,本文提出了一种通用模型J矩阵更新优化法。对SIW滤波器的特征电路进行研究,建立了关联滤波器物理尺寸和特征参数(频率、耦合系数、外部品质因素)的通用模型。采用耦合矩阵进行扰动和BFGS拟牛顿算法对电磁仿真的响应实现快速逼近,实现滤波器特性误差的直接提取。通过通用模型计算Jacobian矩阵并对电磁设计进行误差估计和迭代修正,达到滤波器快速优化。采用该算法对多个SIW滤波器进行设计快速优化,在较少的电磁计算次数即可达到良好的优化效果,比渐进空间映射法具有更好的稳定性和优化速度。此外,本文进一步提出了一种通用模型与置信域空间映射联合J矩阵更新优化算法,结合通用模型J矩阵更新的稳定高效和空间映射的J矩阵更新修正能力,进一步提升的优化性能。该研究成果被成功用于多个收发系统的SIW滤波器设计优化,有效缩短了系统的设计周期,达到了良好的效果。该部分的研究结果已投稿至国际核心期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques。(4)对毫米波全数字波束赋形预编码MIMO收发系统开展深入的研究,研制了全球首个用于5G毫米波移动通信的Ka频段64通道毫米波全数字波束赋形MIMO收发系统。该毫米波MIMO收发系统工作在28GHz频率,采用500MHz信号带宽、2.75GHz中频频率和时分双工方式(TDD)。该系统基站侧的64个完整的射频收发通道具有良好的射频性能,在500MHz带宽内的通道平坦度达到1.1dB以内,最大线性等效全向辐射功率(EIRP)为58dBm。研制的毫米波MIMO收发系统被成功用于5G毫米波通信的空口性能测试、验证和外场测试。在单用户移动场景下,系统使用两个OFDM QAM-64信号流和波束追踪技术,可以为单用户提供5.3Gbps传输速率;在多用户MIMO场景下,同时传输20个非相干的数据流到8个4通道用户端,最大峰值传输速率达到了50.73Gbps,相应的频谱效率达到了101.5bit/s/Hz,接近目前业界的最高水平。该部分研究成果已在国际核心期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques上发表。(5)针对毫米波模数混合波束赋形预编码MIMO通信系统应用,研制了一种用于5G毫米波通信的28GHz频段的低成本高性能相控阵列。该相控阵的移相电路创造性地采用本振移相结合谐波混频技术在毫米波频段实现全360o范围移相,达到了10-bit相控精度和极低的幅度波动。每个相控通道包含一个中频1bit的180o移相器和一个本振低压变容管调谐反射式移相器。本振移相可以在实现精细相位调整的同时达到非常低的幅度波动。谐波混频技术可以有效降低本振频率以及要求的本振移相器的调相范围。测试表明,研制的移相电路的均方根相位和幅度误差分别为0.3o和0.1dB,移相性能到达了目前毫米波频段移相器的最先进的水平。同时,本文提出了毫米波相控阵列单探点空口快速校准技术,展示了相关的OTA校准和性能测试。研制的相控阵列到达了+/-50o的波束扫描范围,波束指向步进精度优于1o。阵列在1GHz带宽内的增益平坦度小于+/-1dB,在10dB线性回退下EIRP达到41 dBm,使用500 MHz带宽的OFDM QAM-64信号下测试得到的EVM约1.72%。本章的研究成果已在国际核心期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques上发表。