随着无线通信技术的快速发展,第五代(5th-Generation,5G)通信技术已成为全球性研究热点。相比于前几代的移动通信网络,5G通信系统主要有三大方面的性能提升,包括极高的速率、极大的容量(达到10Gbps峰值速率)以及极低的时延。在5G通信系统中,具有超大规模天线阵列的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)通信系统引起了学界和产业界的广泛关注。为了提高信噪比和获得更好的信号覆盖,采用波束赋形预编码技术的大规模MIMO天线阵列被认为是最具有发展前景的5G技术方向之一。为了大幅降低通信系统的总功耗和总成本,基于高精度相控阵列的混合波束赋形通信系统为大规模MIMO天线阵列的实际商用提供了可能性。在混合波束赋形架构下,基于相控阵列的大规模MIMO收发系统硬件实现面临许多挑战亟待解决。本文的研究面向混合波束赋形大规模MIMO收发系统的设计,解决了多个相关的技术难题,研制了多个用于5G混合波束赋形的宽带高性能MIMO收发系统以及高精度相控阵列。经过测试表明,研制的收发系统取得了良好的实践效果。本课题主要的研究内容以及创新点如下所述:(1)针对应用于5G移动通信的高性能波束赋形相控阵列,提出了一种用于多用户通信的共口径高精度收发阵列。设计的8天线共口径相控阵列具有两个8单元移相网络,工作频段为3.5GHz,工作带宽为500MHz。移相网络具有1?的移相分辨率,均方根(Root Mean Square,RMS)幅度误差和相位误差分别为0.23dB和0.84?。阵列中的射频前端和天线被两个移相网络共享,进一步降低了制造成本和功耗,并且优化了阵列集成度。设计并应用了一种改进型领结天线,具有更宽的带宽和更小的天线互耦,适合于大规模组阵的应用。射频和波束测量结果表明,该共口径天线阵列可以在100?范围内进行波束赋形,增益波动小于2dB,波束分辨率为0.32?。最终使用双流信号对该阵列进行了多用户通信测试,验证了该共口径阵列在多流多用户的通信场景下具有稳定的通信能力以及良好的系统性能,并能较好的抑制多用户干扰。(2)针对5G移动通信中对模拟波束赋形阵列多种极化以及阵列小型化的应用需求,设计和实现了一种基于高精度低幅度波动移相器的极化可重构天线阵。该极化可重构天线通过在馈电网络中的两路移相器调整双馈端口间的相位差,实现了线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的极化可重构。同时,该可重构天线的移相馈电网络可以与相控阵列中的移相单元相结合,减少整体阵列中移相器的使用数量,而且使得极化可重构天线具有波束赋形的功能。该高精度移相器可以在360?范围内实现了0.5?移相精度,仅具有0.36dB的RMS幅度误差和0.16?的RMS相位误差。经测试可知,该可重构天线阵具有1.2GHz的阻抗带宽以及800MHz的圆极化轴比带宽,在±32?范围内具有高分辨率的波束扫描效果。最终的实测结果与仿真结果基本一致,表明该天线阵列具有良好的性能,能够满足5G通信系统的应用需求,具有很高集成度和工程应用价值。(3)针对5G毫米波移动通信系统中对高性能频率源的需求,基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术,设计了一款基于SIW滤波功分器的单频点高性能振荡器及一款基于SIW可调滤波器的机械可调振荡器。其中,利用SIW滤波功分器将功率分配器嵌入到SIW滤波器中,获得更低的插入损耗和更紧凑的电路尺寸。设计完成的X波段振荡器通过在谐振腔中引入传输零点,增加滤波功分器的群时延峰值,从而获得更好的相位噪声性能。测试结果表明,所设计的基于SIW滤波功分器的振荡器工作在11GHz,输出功率-1.8dBm,且振荡器的相位噪声在1MHz偏移频率下可达-143.3 dBc/Hz,对应的振荡器品质因数(Figure of Merit,FOM)值为211.5dBc/Hz。为了实现振荡器输出连续可调频率,设计了一种基于多层SIW滤波器的连续可调振荡器。通过改变SIW腔中心与移动金属螺丝间的距离,实现了对双层滤波器的谐振中心频率的同时调谐,从而改变振荡器的输出频率,同时减小了一半的滤波器电路面积。基于该可调滤波器设计的振荡器工作在中心频率为7.3GHz,频率调谐范围为3.5%。设计完成的单点频率振荡器和可调频率振荡器均具有令人满意的性能。(4)针对毫米波大规模MIMO通信系统,提出并研发了一种毫米波多通道混合波束赋形架构收发系统。所开发的毫米波收发系统共有32射频通道,工作在28GHz频段,信号带宽为500MHz,采用时分双工(Time Division Duplex,TDD)工作方式。为了实现高波束赋形精度,提出了一种基于中频高精度移相网络的毫米波相控阵,可以在模拟域实现混合波束赋形的模拟预编码矩阵。该高精度毫米波相控阵使用了中频移相架构以及高精度低成本矢量合成移相单元,可以实现360?范围内8-bit移相精度,幅度波动仅为0.13dB。最终测量结果表明,本系统在28GHz的波束覆盖范围大于90?,波束分辨率为0.6?。通过仔细设计毫米波前端电路,所提出的收发机系统的所有32个射频通道均实现了良好的毫米波射频性能,在500MHz带宽内的通道平坦度仅为1.3dB。此外,在两个数据流的空口MIMO通信测试中,两个用户设备各自收到的信号解调得到的误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)分别为2.58%和2.34%。通过双流系统空口通信性能测试,验证了该混合波束赋形收发机系统具有的高质量数据传输能力。