前言

随着移动通信的演进，无线信号的调制、信道编（解）码、多址和复用等技术均取得了长足发展。然而，在天线技术领域，除了拓宽工作频段、提升天线数目外，囿于天线理论和辐射机理所带来的性能制约却鲜有深入研究和革命性的突破。对于现代移动通信系统普遍使用的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统而言，其对信道相关性的要求以及天线本身存在的诸多设计限制，使得MIMO天线之间的间距至少在半波长以上。同时，在满足通信系统所需辐射效率和天线系统载体体积要求的情况下，目前的天线由于其品质因数（Quality Factor，Q值）的限制难以实现多个倍频的频段覆盖。另外，由于上述载体体积和天线间距两大因素的制约，系统整机的MIMO天线数目难以实现显著增加。

MIMO技术从20世纪90年代提出至今，移动终端设备无论是上行还是下行传输，一直难以普及4MIMO的通信架构。而在基站设备侧，由于功耗、体积、质量以及架设迎风面面积的限制，天线单元数目也无法成倍上升。与芯片遵循的摩尔定律不同，作为无线通信系统“眼睛”和“耳朵”的天线，始终没有实现自身尺寸、单元间距、阵列规模这几个物理限制的明显突破。可以说，天线技术已经成为制约无线通信技术进一步发展和突破的瓶颈。

然而，在传统的通信理论和技术研究中，研究人员往往将天线对信号的发射和接收假想为理想的信道模型，因此目前大多数多天线系统的分析都是建立在这一假设上的。而由天线阵列布局引起的空间相关性、由相邻天线单元产生的电磁波互相耦合造成的相关性以及不同信道环境对天线的不同技术要求，都没有被明确考虑和体现在这些研究中，以至于在部分专著、文章中，对于实际MIMO天线的几种相关性有明显的混淆和误用之嫌。从产业需求和发展来看，目前无论是5G、B5G还是6G，都有着对于大规模天线阵列（Massive MIMO）的迫切需求。目前5G Massive MIMO的Sub-6GHz频段，基站侧已经出现了最多192个双极化天线振子的配置；B5G将涉及的6~10GHz频段，已经出现了1024个天线单元的方案；而对于毫米波频段的设备而言，已经有报道256个单元乃至上万个天线单元的商用方案。而在终端侧，已经有商家推出了最多12个双极化单元的毫米波封装天线（Antenna-in-Package）模组，并且目前发布的大多5G手机上都支持至少10个以上的天线。

本书作者在长期从事多天线技术研究及科研项目实践的过程中，深感通信理论与天线及射频技术中间存在着明显的鸿沟，也切实感觉到，对于多天线系统的设计和性能优化，必须结合通信理论、电磁场与微波技术、信道传播特性乃至信号处理等方面的技术，形成一个统一的分析视角，才能够全面理解多天线通信系统，并进一步设计出合理的技术方案使其发挥更大的潜力。因此本书遵循这一思想进行编写，核心思想是从电磁场和电磁波的基本理论出发，阐述天线设计对多天线系统所带来的性能影响并对这些影响进行评估，同时针对不同的应用场景提供一些行之有效的解决方案。

本书第1章将从5G的发展进程开始，逐步介绍多天线系统随着通信协议的演进以及目前所面临的问题和挑战。第2章和第3章阐述MIMO多天线系统的基本模型和信道容量评估，并详细分析了天线空间相关性和天线互耦对于信道容量的影响。第4章详细地给出了解决天线去耦合和相关问题的各类技术手段，并详细阐述了去耦合网络和假天线阵列两种去耦合方法的综合理论、设计方法和设计实例。第5、6、7章给出了多天线系统的3种典型应用场景，包括基站、移动终端和无线能量传输系统。第8章给出了评估多天线系统的关键参数以及这些关键参数的测量方法。

西安电子科技大学的赵鲁豫编写第1~4章，并参与了第8章部分内容的编写以及全书统稿；佛山科学技术学院的黄冠龙编写了第5章与第6章；悉尼科技大学的蔺炜编写了第7章；哈尔滨工程大学的李迎松编写了第8章。西安电子科技大学的荆国栋、赵筱元、刘锋、赵阁、江嘉越、刘婷、杨慧，深圳大学的庞子裕、马晓钰、卓兴泉、王聘宇、游盛森等也参与了编写工作。本书的主干内容大多来自作者的多年研究积累，当然也参考了诸多业内知名学者、团队以及相关机构的研究成果，在此向他们一并表示感谢。

同时，本书作者感谢西安电子科技大学、西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室、深圳大学、悉尼科技大学、香港中文大学、香港城市大学、中国通信学会天线与射频专业委员会和天线系统产业联盟的各位领导、专家的大力支持与真诚帮助。感谢在研究多天线系统与多天线技术的过程中，中国信息通信研究院、中国移动设计院、华为技术有限公司、深圳三星通信技术研究有限公司、中兴通讯股份有限公司、浙江海通通讯电子股份有限公司、摩比天线技术（深圳）有限公司、西安朗普达通信科技有限公司、西安空间无线电技术研究所等企业和机构与作者的密切交流与紧密合作。西安电子科技大学的刘英教授与翟会清教授阅读了全部书稿，并对本书的内容提出了重要的修改意见，在此一并向他们表示感谢。特别感谢华南理工大学的褚庆昕教授认真阅读书稿并为本书作序。在此同时感谢在科研工作和本书写作过程中给予作者强有力支持的父母和妻子，没有他们的包容、爱护和照顾，本书无法按时完成。

由于写作时间有限，而多天线技术又发展迅速，很多最新的科研成果和技术进展都来不及反映在本书之中。希望未来有机会还能够进一步扩充和丰富本书的内容。鉴于作者的水平与能力有限，本书难免有不足之处，恳请各位读者与专家提出宝贵的意见和建议。