CN101159352A - 高隔离度的多天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一个高隔离度的多路输入多路输出(MMO)天线阵列(10)包括一个接地面(12)和多个布置在靠近接地面外围的天线发送/接收元件(14)。每个天线的发送/接收元件都可以在频率f产生共振。一个同样可在所述频率f产生共振的隔离天线元件(18)设置在多个天线发送/接收元件之间的接地面上。多个天线发送/接收元件以及隔离天线元件均设置在接地面上，以获得天线发送/接收元件超过15dB的隔离性能。

Description

高隔离度的多天线阵列
技术领域
本发明涉及一种用于发送和接收射频(RF)能量的天线，特别是一种可以在多单元天线阵列的发送/接收元件间提供高隔离性能的装置。
背景技术
多路输入多路输出(MIMO)的天线系统有时会用于无线计算机网络，例如局域网(LANs)或者Wi-Fi业务。一个MIMO天线系统通过控制天线间的相位差及/或振幅或增益差与多个天线相结合。这样的结合可以形成不同的波束形状，以消除干扰及/或增强某选定方向上的信号。因此，从某种程度上来讲，一个MIMO系统类似于一个自适应阵列。
用于MIMO天线阵列的天线发送/接收元件可以固有15dB的隔离能力。发送/接收元件的任意组合都能用于发送或者接收。然而，只有15dB隔离能力的天线发送/接元件可能无法获得最有效的波束控制或自适应控制，特别是带有具相同单独方向图的元件的时候。
因此就需要提高多天线阵列中天线发送/接收元件的隔离性能。
发明内容
一种高隔离度的多路输入多路输出(MIMO)天线阵列包括接地面和多个邻近接地面外围放置的天线发送/接收元件。每个天线的发送/接收元件均可在频率f产生共振。一个同样在所述频率f产生共振的隔离天线元件位于多个天线发送/接收元件之间的接地面上。多个天线发送/接收元件以及隔离天线元件都被放置在接地面上，以获取天线发送/接收元件的大大超过15dB的隔离性能。
附图说明
图1是高隔离度的多路输入多路输出(MIMO)天线阵列的一个配置的示意图；
图2是图1中天线阵列配置中所用的天线发送/接收元件的一个结构的示意图；
图3是测得的图1中示出的天线阵列中第一天线发送/接收元件的、作为频率函数的阻抗的图示；
图4是测得的图3中曲线表示的天线发送/接收元件的、作为频率函数的驻波比(SWR)的图示；
图5是测得的图3和4中曲线表示的天线发送/接收元件的作为频率以及角度函数的方向图的图示；
图6是测得的图1中示出的天线阵列中第二天线发送/接收元件的、作为频率函数的阻抗的图示；
图7是测得的图6中曲线表示的天线发送/接收元件的、作为频率函数的驻波比(SWR)的图示；
图8是测得的图6和7中曲线表示的天线发送/接收元件的作为频率以及角度的函数的方向图的图示；
图9是测得的图1中示出的天线阵列中第三天线发送/接收元件的、作为频率函数的阻抗的图示；
图10是测得的图9中曲线表示的天线发送/接收元件的作为频率函数的驻波比(SWR)的图示；
图11是测得的图9和10中曲线表示的天线发送/接收元件的作为频率以及角度的函数的方向图的图示；
图12是测得的图1中第一和第二发送/接收元件之间的隔离强度图示；
图13是测得的图1中第一和第三发送/接收元件之间的隔离强度图示；
图14是测得的图1中第二和第三发送/接收元件之间的隔离强度图示；
当结合附图阅读时，可更好理解前述的概要以及本发明的实施例的以下详细描述。在附图示例了各个实施例的功能框图的程度上，该原理框图并非一定表示硬件电路之间的差别。应当理解，各个实施例并不局限于附图中示出的特定排列和实现手段。
具体实施方式
如这里所使用的，应理解单一表述和使用单词“一个”的元件或步骤，并不排除是多个所述元件或步骤，除非有明确的表述。并且，对本发明的“一个实施例”的引用不旨在排除包括所述技术特征的其它实施例。而且，除非有从相反角度的明确表述，包含或具备一个或多个具有特定属性的元件的实施例，可能包括不具备该属性的其他元件。
在本发明的一些结构配置中且参照图1，提供一个高隔离度、多路输入多路输出(MIMO)的天线阵列10。阵列10可以包含一个接地面12和放置在接地面12的外围16附近的多个天线发送/接收元件14。每个发送/接收元件14都可以在至少一个频率f产生共振。如图2所示，一种适合的发送/接收元件14是Tyco电子部件的第1513164-1号天线组件，它可以在2.4GHz和5GHz Wi-Fi波段均产生共振，但是其他类型天线元件也能使用。再看图1，阵列10还包括至少一个隔离天线元件18，位于多个发送/接收元件14之间的接地面12上。其中至少一个隔离天线元件18可以和发送/接收元件14一样在相同的频率f产生共振，但其不必是与发送/接收元件14相同类型的元件。例如，可以使用一个顶端加载的隔离天线元件18。隔离天线元件18未有供电或连接至负载。天线发送/接收元件14可以固有15dB的隔离度。然而，在本发明的各种配置中，天线发送/接收元件14和至少一个隔离天线元件18均被放置在接地面12上，以使天线发送/接收元件14相互获得基本上大于15dB的隔离性能。
令人惊讶地是，当在天线发送/接收元件14之间设置一个共振隔离天线元件18(如，单极元件)，便可以获得30dB的隔离度。因此，在本发明的一些配置中，多个天线发送/接收元件14和共振隔离天线元件18被放置在接地面12上，从而使天线发送/接收元件14可以获得约30dB的隔离度。举例来说，在一个合适的配置中，三个天线发送/接收元件14等距放置在等边三角形20的三个顶点上，且将单个隔离天线元件18放置于该三角形20的中心22，距离每个天线发送/接收元件14都是四分之一的波长(λ/4，而 λ = c 2 πf )。这样的设置特别用于2.4GHz或5GHz波段的Wi-Fi业务，但本发明的结构配置并不仅限于这些频率波段。
举例而言，从2.3GHz到6.0GHz的范围内，对图2所示类型的三个天线发送/接收元件14的参数进行测量。这三个天线阻抗的测量结果示于图3、4和5中，在金属接地面12上三个不同的天线发送/接收元件14随机标记为A、B和C。相应的驻波比(SWR)图表分别示于图6、7和8中。当单独使用时，天线A、B和C的近全向辐射图分别示于图9、10和11中。使用图1所示的共振四分之一波顶端加载单极隔离天线元件18，测量的天线发送/接收元件14对之间的隔离度分别示于图12、13和14中。为天线布置的目的，28dB或更多(在图12、13和14中指定为-28dB或具更大绝对值的负dB数)的隔离度被看作至少“大约30dB”的隔离度。-20dB或更多的隔离度被认为“超过15dB”的隔离度。在这里所述例子中，天线发送/接收元件14均可以在第一频率f＝2.4GHz和至少第二频率f1＝5.15GHz产生共振。更确切地，这些元件在从f1到至少5.85GHz范围的频段内更接近于共振。
这三个天线发送/接收元件14的任一组合都可用于接收或发送，以执行波束控制或自适应控制。由于元件14之间的隔离度的增强，从而使得改进波束的形成成为可能。
本发明中天线阵列10的配置特别用于Wi-Fi业务。在2.4GHz这些配置的小尺寸和增强的隔离度相结合，是迄今为止还未被实现过的。以正确的间距(可依据经验来定)来添加附加的单极天线隔离元件18就可以在不同的频段获得更高的隔离度。单极隔离元件18可以为全长，或者可以被缩短或顶端加载。在本发明的一些配置中，单极天线隔离元件18是1/4波长长度，但在其他配置中，元件18是顶端加载的1/8波长共振单极。在本发明的一些配置中，如图2所示，天线发送/接收元件14是平面倒F型天线(PIFA)。
本发明中还给出了可以通过射频(RF)能量进行通信的方法。该方法包括控制RF能量的相位或振幅中的至少一个，该能量提供给设置在接地面12外围16附近的多个天线发送/接收元件14。每个天线发送/接收元件14都可以在至少一个频率f产生共振。该方法进一步包括提供至少一个隔离天线元件18，其设置在多个天线发送/接收元件14之间的接地面12上，并且也至少能在相同的频率f产生共振。多个天线发送/接收元件14和隔离天线元件18均被设置在接地面12之上，从而在天线发送/接收元件14之间可以获得超过15dB的隔离性能。在一些结构配置中，至少一个共振隔离天线元件18设置于接地面12，以获得天线发送/接收元件14的至少约30dB的隔离度。
频率f可在2到6GHz间，而RF能量同样可在2到6GHz之间。
在这些方法之中，可设置天线发送/接收元件14相互之间等距，并且每个天线发送/接收元件14距离隔离天线元件是λ/4，而 λ = c 2 πf .
本发明中的一些配置提供了一种实现高隔离度的多路输入多路输出(MIMO)的天线阵列10的方法，该方法包括在接地面12的外围16附近设置多个天线发送/接收元件14。每个天线发送/接收元件14可以在至少一个频率f产生共振。同样提供了一个隔离天线元件18，也可以至少在相同的频率f产生共振。元件18设置在多个天线发送/接收元件14之间，以便天线发送/接收元件14获得超过15dB的隔离性能。本发明的一些配置还包括可以设置天线发送/接收元件14和隔离天线元件18来获得天线发送/接收元件14的至少约30dB的隔离性能。频率f可以为，例如，2到6GHz。在一些配置中，接地面12是金属板。同样地在一些配置中，三个天线发送/接收元件14之间可设为相互等距。每个天线发送/接收元件14距离隔离天线元件可以是λ/4，而 λ = c 2 πf .
除了此处所说的其它优点之外，本发明的多种配置还具备低角度辐射的优点。例如，当把天线阵列10设置在桌面时，辐射都被集中于一个较窄波束，该波束消失在所有方向的水平线处。

Claims (9)

1.一种高隔离度的多路输入多路输出(MIMO)天线阵列(10)，包括接地面(12)和多个布置在靠近接地面外围的天线发送/接收元件(14)，每个天线的发送/接收元件都可以在频率f产生共振，其特征在于：
同样可在频率f产生共振的隔离天线元件(18)设置在位于多个天线发送/接收元件之间的接地面上，且其中多个天线发送/接收元件以及隔离天线元件均设置在接地面上，以便获得天线发送/接收元件大大超过15dB的隔离性能。
2.根据权利要求1所述的阵列，其中所述接地面是金属板。
3.根据权利要求1所述的阵列，其中所述天线发送/接收元件是双波段天线元件，也可在不同于频率f的第二频率f1产生共振；且其中所述隔离天线元件也是双波段天线元件，其同样可以在第二频率f1产生共振。
4.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述多个天线发送/接收元件包括三个相互成等距的天线发送/接收元件，且每个所述天线发送/接收元件相距隔离天线元件是λ/4，其中 λ = c 2 πf .
5.根据权利要求1所述的阵列设置有多个隔离天线元件，以便提供在多个不同频段的隔离性能。
6.根据权利要求1所述的阵列，其中隔离天线元件是单极天线。
7.根据权利要求6所述的阵列，其中单极天线在频率f下是1/4波长的长度。
8.根据权利要求6所述的阵列，其中单极天线在频率f下是1/8波长的长度，并且是顶端加载。
9.根据权利要求1所述的阵列，其中所述天线发送/接收元件包含平面倒F型天线(PIFAs)。
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