通过分层分割和上下文感知聚类进行无监督驾驶行为特征推断 张 Lu, 李 Tao, 郑学莲, 康文宇, 傅宇涵

《Sensors》：Unsupervised Driving Behavior Primitive Inference via Hierarchical Segmentation and Context-Aware Clustering Lu Zhang, Tao Li, Xuelian Zheng, Wenyu Kang and Yuhan Fu

　　**亮点**
**主要发现是什么？**
一个四元素的多输入多输出（MIMO）天线系统实现了从4.23 GHz到5.96 GHz的宽带操作。这种三模宽带操作是通过独立控制TM10、TM01和TM11δ模式来实现的，具体方法是利用贴片元件内的一个槽和一对金属化通孔。
通过策略性地布置额外的金属化通孔，有效控制了元件之间的相互耦合。这种解耦技术确保了超过17 dB的元件间隔离水平，同时总效率超过45%，包络相关系数（ECC）低于0.25。

**主要发现的意义是什么？**
所提出的多模激励技术提供了足够的带宽，可以实际同时覆盖多个商业频段，包括N79（4.4–5 GHz）、V2X（5.905–5.925 GHz）和Wi-Fi 5/6（5.150–5.850 GHz）。
通过解决先前宽带多模设计中对空气间距的依赖问题，这种紧凑的几何配置提供了一种高效且实用的解决方案，可以无缝直接集成到5G移动终端的背盖上。

**摘要**
本文介绍了一种宽带四元素多输入多输出（MIMO）天线系统，该系统由四个矩形贴片按顺序旋转排列组成。通过利用贴片设计中的槽和金属化通孔，实现了TM10、TM01和TM11δ模式的宽带频率操作。另一组金属化通孔用于控制天线元件之间的耦合，达到了超过17 dB的隔离水平。制造并测量了一个原型，其阻抗带宽在4.23 GHz到5.96 GHz范围内为-6 dB，能够覆盖N79（4.4–5 GHz）、V2X（5.905–5.925 GHz）和Wi-Fi 5/6（5.150–5.850 GHz）频段。该MIMO天线的效率超过45%，包络相关系数（ECC）低于0.25。由于其宽频带、紧凑的几何形状和良好的隔离性能，所提出的MIMO天线为集成在移动终端背盖中的5G MIMO应用提供了高效且实用的解决方案。

**1. 引言**
随着第五代（5G）通信系统的快速发展，对扩展频谱资源、更高数据速率和增强移动终端数据处理能力的需求变得越来越迫切。提高无线信道容量的一种有效策略是在终端架构中集成更多的天线元件[1]。因此，多输入多输出（MIMO）技术受到了广泛的研究关注，因为它利用空间复用显著提高了数据吞吐量，而无需额外的频谱资源或更高的传输功率[2,3,4]。此外，MIMO可以通过利用空间多样性来提高链路可靠性并减少衰落效应，这在密集的城市环境和高移动性场景中尤为重要。在移动终端中，MIMO阵列可以沿着设备框架安装，或者直接安装在背盖上。已经报道了多种框架安装的MIMO实现方式，包括单极子、贴片和基于槽的设计[5,6,7,8,9,10]。虽然框架安装的解决方案在机械和设计上有一定的便利性，但天线数量的持续增加以及因此对更高阶MIMO配置的需求，导致了设备框架上的空间限制。这种空间约束可能对元件间距、相互耦合和整体天线性能产生不利影响。因此，近年来将背盖作为天线集成的替代平台受到了相当大的关注。背盖集成不仅缓解了框架上的空间限制，还提供了一个适合排列多个元件的平面表面，从而实现了更好的隔离、更宽的带宽和更好的MIMO性能。此外，背盖还提供了与设备美观和结构设计的无缝集成机会，使其成为现代5G移动终端的一种实用且越来越流行的解决方案。

**2. 天线设计**
如图1所示，所提出的设计实现了一个适合集成在移动终端中的紧凑四元素MIMO天线系统。该天线构建在标准的环氧FR4介电基板上，介电常数为εr = 4.4，损耗正切为tan δ = 0.02，提供了一个经济高效且机械稳定的平台。整体架构在顶面上集成了四个微带蚀刻的辐射贴片，每个贴片都经过精心设计以支持多个共振模式，并嵌入了三组金属化通孔：四对Via1、四对馈电通孔（Via2）和四对Via3。每个贴片包括一个槽和相应的一对Via1，槽与Via1一起实现了基本TM10模式的精确调谐，而更高阶的TM11δ模式主要由Via1控制。这种布局允许独立激发多个模式，在紧凑的占地面积内实现宽带操作。基板底部的完全金属化接地平面确保了适当的电流返回路径和辐射效率。为了进一步提高MIMO性能，在相邻贴片之间策略性地插入了一对额外的金属化通孔（Via3）以抑制相互耦合并增强元件间隔离。每个贴片通过专用连接器（Via2）单独馈电，确保均匀激发和稳健的多端口操作。总体而言，该设计结合了紧凑的尺寸、宽带三模性能和高隔离性能，成为现代移动终端中高性能MIMO部署的实用解决方案。

**3. 结论**
与三维或框架安装的天线结构相比，本研究提出的平面背盖设计在制造简单性、机械集成和低轮廓方面具有显著优势。例如，尽管在[25]中介绍的3D Vivaldi基站阵列实现了高增益和双极化，但由于其厚度较大和组装复杂，不适合直接集成到移动终端背盖中。我们的工作专注于一个完全平面化、低成本且可扩展的解决方案，这些特点满足了现代智能手机和其他通信移动设备的严格空间限制。为了定量分析这种效应，可以等效地将没有Via1和有Via1的TM10模式建模为两个并联的RLC谐振电路，如图3所示。这些等效电路的谐振频率可以使用标准的RLC并联谐振公式来表示。对于没有Via1的TM10模式，谐振频率fa由贴片的固有电阻R、电感L1和电容C1决定，这代表了结构的自然电磁响应。当引入Via1时，它会在L1并联一个额外的电感L2。组合的并联电感降低了TM10分支的整体电感反应，从而将谐振频率从fa提高到fb。这种效应可以被视为一种频率调谐机制，通过调整物理尺寸、位置和通孔的数量来精确控制TM10的谐振。此外，引入Via1对其他谐振模式（TM01和TM11δ）的干扰最小，展示了选择性模式控制，这对于多模式宽带天线设计特别有利。RLC等效电路分析提供了一个直观且准确的框架，用于预测由于结构修改而引起的谐振频率的变化，从而连接了物理设计和理论建模。

图3. TM10的等效RLC谐振电路：(a) Case 3和(b) Case 4。引入Via1有效地将TM10模式向更高的频率移动，使其更接近TM01模式，而对TM11δ模式的影响可以忽略不计。这种选择性调谐允许在不干扰更高阶TM11δ模式的情况下精确控制TM10模式。因此，TM10、TM01和TM11δ三种模式可以同时被激发并独立控制，实现了在4.28 GHz到6.08 GHz频率范围内的三模宽带操作，反射系数S11 < –6 dB。这一频率覆盖范围包括了N79频段（4.4–5 GHz）、V2X频段（5.905–5.925 GHz）和Wi-Fi 5/6频道（5.15–5.85 GHz），使得该设计适用于多标准终端应用。

进一步进行了参数研究，以调查槽长l3和Via1的位置l8对S11响应的影响，如图4所示。增加l3会导致TM10和TM11δ模式都向较低频率移动，反映了有效电流路径的延长以及与更高阶模式的增强耦合。相比之下，增加l8仅选择性地使TM10模式向下移动，表明Via1能够独立调节基本模式而不影响TM11δ的谐振。

2.2. MIMO天线设计
如图5a所示，四元素MIMO天线通过将四个贴片按顺序旋转配置精心设计，每个贴片都通过其对应的馈电端口独立激发。这种旋转排列不仅确保了空间多样性，还增强了辐射场的正交性，这对于减少互耦和提高MIMO系统性能至关重要。由于天线的结构对称性，可以通过分析元素1来有效表示整个阵列的电磁行为和性能特性，显著降低了计算复杂性，同时保持了预测阵列性能的准确性。

如图5c所示，端口1和端口3之间的隔离度超过17 dB，这主要归因于这两个元素之间相对较大的物理间距以及旋转排列，后者最小化了直接耦合路径。隔离度水平表明在实际MIMO应用中互耦足够低，确保了信号泄漏最小化，并保持了独立通道的完整性。相比之下，端口1和端口2之间的隔离度约为14 dB，由于元件间距较短，隔离度略低。尽管如此，观察到的隔离度仍然在多端口MIMO操作的可接受范围内，允许有效的解耦和通道之间的低相关性。此外，电流分布分析显示，紧密排列的元件之间的耦合主要由近场相互作用主导，而对角线排列的元件之间的耦合主要受远场辐射重叠的影响，进一步解释了隔离度水平的差异。这一详细评估证实，所提出的顺序旋转配置在紧凑的阵列尺寸、空间多样性和可接受的隔离度之间实现了平衡的权衡，为实际毫米波终端应用中的宽带MIMO性能提供了坚实的基础。

为了进一步增强端口隔离度并减少互耦的不利影响，策略性地在天线元件之间加入了Via3结构。这些通孔作为垂直导电路径，为感应电流提供了有效的返回路径，从而抑制了相邻贴片之间的表面波和近场耦合。在Case 5中，如图5b所示，对称地引入了四对额外的通孔，确保了所有元件之间的缓解效果均匀。这些通孔的放置经过精心优化，以在不过度干扰每个天线元件的辐射模式或输入阻抗的情况下最大化解耦。如图5d所示，加入通孔结构后，端口1和端口2之间以及端口1和端口3之间的隔离度显著提高，超过了17 dB。这种增强可以归因于抑制了紧密排列元件之间的近场耦合以及沿基板的表面波传播。考虑到四元素MIMO配置的几何对称性，可以推断所有其他端口对也显示出类似的改进，在指定的操作频率范围内实现了至少17 dB的隔离度。此外，通孔的添加对各个端口的反射系数影响很小，保持了良好的阻抗匹配，同时实现了有效的解耦。这表明所提出的通孔辅助设计不仅提供了强大的互耦抑制，还保持了每个天线元件的固有辐射特性，从而在实际毫米波终端应用中提高了MIMO天线系统的整体性能。

与其他解耦技术（如中和线或缺陷接地结构[DGS][27]相比，所提出的基于通孔的方法的优势在于它完全嵌入在基板内，保持了地平面的完整性，且不会增加天线的占地面积。此外，尽管DGS可以有效抑制表面波，但它们往往会参与增加后向辐射。虽然中和线可以实现高隔离度，但它们通常需要额外的迂回线路，这可能会导致不必要的共振[28]。因此，我们仅使用通孔的方法为低轮廓MIMO阵列提供了一个简单有效的解决方案，该方案可以使用标准的低成本印刷电路板（PCB）制造技术进一步加工。关于扩展到更高阶MIMO系统（如8或16元素基于MIMO系统），顺序旋转的2 × 2块可以作为基本构建块。然后可以在更大的终端（例如平板电脑或平板）的背面覆盖多个基本块，并在块之间放置额外的解耦通孔以保持良好的隔离度。

特定吸收率（SAR）是指单位质量的生物组织吸收或消耗的电磁功率，是评估移动终端向人体辐射强度的一个重要参数。因此，模拟了所提出天线的10克空间平均单手SAR。图6a显示了手持手机的人手的评估模型。在4.4 GHz、4.8 GHz和5.8 GHz处的模拟SAR峰值分别为0.227、0.733和0.38，这些值低于10克人体组织的SAR限制2.0 W/kg，从而验证了所提出天线符合安全标准，并适用于5G移动终端设备。

3. 实验验证
所提出的四元素MIMO天线是使用标准PCB技术制造的，如图1c中的照片所示，随后进行了全面的实验验证。为了实验验证性能，使用Agilent N5230C四端口差分矢量网络分析仪（VNA）测量S参数。四个天线馈电端口通过射频同轴电缆直接连接到VNA的四个端口，在进行完整的4端口短开负载通过（SOLT）校准后。辐射模式和总效率在微波/毫米波无回声室（0.8 GHz–40 GHz范围）中使用2–18 GHz的标准喇叭天线作为接收器进行测量。图7a展示了4–6.5 GHz频率范围内模拟和测量的S参数，清楚地显示了三个谐振模式如何同时覆盖N79、V2X和Wi-Fi 5/6。此外，在整个操作频率范围内，模拟和实验性能之间可以观察到密切的一致性。测量的–6 dB阻抗带宽覆盖了4.23 GHz到5.96 GHz，对应于34%的分数带宽，与模拟预测非常吻合。此外，测量到的天线元件之间的互耦在整个操作频率范围内始终低于–17 dB，证实了解耦策略的有效性，并验证了设计方法。

所提出的四元素MIMO天线的性能在实际情况中得到了验证。如图1c中的照片所示，该天线使用标准PCB技术制造，并随后进行了全面的实验验证。为了实验验证性能，使用Agilent N5230C四端口差分矢量网络分析仪（VNA）测量S参数。四个天线馈电端口通过射频同轴电缆直接连接到VNA的四个端口，在进行完整的4端口短开负载通过（SOLT）校准后。辐射模式和总效率在微波/毫米波无回声室（0.8 GHz–40 GHz范围）中使用2–18 GHz的标准喇叭天线作为接收器进行测量。图7a展示了4–6.5 GHz频率范围内的模拟和测量S参数，清楚地显示了三个谐振模式如何同时覆盖N79、V2X和Wi-Fi 5/6。此外，模拟和实验性能之间可以观察到密切的一致性。测量的–6 dB阻抗带宽覆盖了4.23 GHz到5.96 GHz，对应于34%的分数带宽，与模拟预测非常吻合。此外，测量到的天线元件之间的互耦在整个操作频率范围内始终低于–17 dB，证实了解耦策略的有效性，并验证了设计方法。

除了ECC和效率之外，还评估了其他MIMO性能指标，如图7d–f所示。当所有四个端口具有相同的相位时，MIMO天线的多样性增益（DG）可以如下计算[32]：[32]，并且MIMO天线的信道容量损失（CCL）可以如下计算[30]：[30]。所有天线元件的DG接近理想值10 dB（范围从9.72 dB到9.99 dB），而CCL远低于0.1 bit/s/Hz（最大CCL = 0.082 bit/s/Hz），表明所提出的天线具有良好的多样性性能和高MIMO通信效率。此外，平均有效增益（MEG）是评估MIMO多样性的一个重要指标，因为它突出了多径通道中每个天线部分的性能。MIMO天线的MEG（电磁测量图形）如下所示[33]：(6) 通过仿真和测量获得的MEG值分别在?6 dB–?5.3 dB和?6 dB–?5.4 dB的范围内稳定分布，并且两者之间有很好的一致性。此外，图8展示了元件1在三个代表性频率4.4 GHz、4.8 GHz和5.8 GHz下的测量和仿真远场辐射模式，包括xoz平面和yoz平面。仿真结果与测量结果之间有很强的吻合度，验证了电磁模型的准确性以及制造过程的可靠性。在yoz平面的辐射模式中观察到大约10°的轻微倾斜（图8d），这归因于贴片元件内部槽和Via1的不对称放置。然而，这种轻微的角度倾斜并没有降低MIMO性能，因为包络相关性仍然较低。由于阵列的固有几何对称性，可以推断其余的天线元件提供了互补的辐射模式，从而确保了强大的极化和空间多样性。这种结构对称性，加上低互耦合和可接受的效率，保证了全面的空间覆盖和可靠的多通道性能，突显了所提出设计适用于实际MIMO终端应用的适用性。图8. 元件1的仿真和测量辐射模式。(a) 在4.4 GHz时的xoz平面和(b) yoz平面。(c) 在4.8 GHz时的xoz平面和(d) yoz平面。(e) 在5.8 GHz时的xoz平面和(f) yoz平面。表1提供了所提出的四元素MIMO天线与文献中报道的几种代表性设计之间的全面性能比较。[18,19,20]中介绍的天线尺寸相对紧凑，适合空间受限的应用。然而，仔细检查会发现某些局限性：[18,19]中的设计仅包含两个MIMO元件，这限制了它们进行更高阶空间复用的潜力，而[18,19,20]中报告的运行带宽不足以覆盖现代移动终端所需的多个通信频段。另一方面，[21,22,23,24]中的设计实现了宽带性能，但其MIMO元件之间的隔离相对有限，可能会在实际部署中降低信道容量和整体多样性性能。一个关键的观察是，除了[20]中的设计外，大多数现有天线由于外形尺寸、厚度或放置兼容性的限制，不适合直接集成到移动终端的背盖上。相比之下，所提出的天线在多个关键性能指标上都有整体改进。具体来说，它保持了足够的宽运行带宽以覆盖相关的sub-6 GHz通信频段，支持四个MIMO元件以增强空间复用能力，并实现了互耦合抑制，使得在整个操作频段内的隔离度超过17 dB。同时，它的SAR值低于2 W/kg，平均作用于10克人体组织。此外，其紧凑的几何形状和平面外形尺寸允许直接集成到移动设备的背盖上，无需额外的间距或结构修改。这种宽带操作、高隔离度、多元素配置和无缝集成能力的结合，使所提出的设计与以往的工作区分开来，特别适合需要高数据速率、强大MIMO性能和高效利用有限空间的现代移动终端。表1. 与先前天线设计的性能比较。最后，表2通过比较几何形状（如通孔数量、槽的数量、基板层和空气层）与以往研究中的设计来研究结构的复杂性。主要观察结果是，我们提出的设计使用单一的环氧FR4层，没有任何空气间隔层，以及适量的通孔（例如4对用于模式控制和4对用于解耦），这使得设计比多层或带有空气间隙的设计更简单、更容易制造。表2. 所提出设计与以往工作的复杂性比较。4. 结论在本文中，设计、制造并实验验证了一种紧凑的宽带四元素MIMO天线。所提出的设计利用了三种共振模式——TM10、TM01和TM11δ——通过精心设计的槽和金属化通孔的结合来实现宽带操作。这种多模式激励策略确保了关键通信频段的覆盖，包括N79、V2X和Wi-Fi 5/6，为现代移动终端提供了多功能解决方案。为了进一步提高互耦合性能，还在天线元件之间战略性地集成了额外的金属化通孔，有效抑制了表面波和近场相互作用，从而在整个操作频段内实现了超过17 dB的隔离度。制造的原型展示了4.23–5.96 GHz的阻抗带宽，所有端口的总辐射效率始终高于45%，包络相关系数（ECC）值保持在0.25以下，证实了出色的MIMO性能和信道去相关。天线保持了紧凑的尺寸，确保了与现代移动设备典型的受限外形尺寸的兼容性。此外，旋转对称性和精心优化的馈电网络有助于所有四个元件之间的互补辐射模式，从而在实际部署场景中实现强大的空间多样性和高质量覆盖。总体而言，所提出的MIMO天线同时实现了宽带操作、高隔离度、紧凑的尺寸和令人满意的效率，证明了其适用于集成到5G移动终端和其他先进无线通信应用中。多模式激励、结构优化和解耦技术的结合为紧凑设备中的高性能多元素天线设计提供了一种实用且可扩展的方法。