CN103095353B - 波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统 - Google Patents

Abstract

一种波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统包括模式判断模块，用于根据切换算法判断用户最适合使用的发送模式为波束赋形模式或者多输入多输出多天线复用模式；切换模块，用于根据模式判断模块的结果切换决定采用波束赋形方式或多输入多输出多天线复用方式发送数据信息；BF发送模块，连接于所述切换模块，用于对数据乘以对应天线的权值分量后进行发送；MIMO多天线复用模块，连接于所述切换模块，用于对数据进行MIMO编码，并对MIMO编码后的数据进行发送；上述数据信息基于多个超材料天线单元组成的超材料天线以电磁波形式向外辐射。采用超材料阵列天线接收或发送信号，提高了整个系统的信干噪比，从而降低容环境信号接收或发送的干扰。

Description

波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统

技术领域

本发明涉及一种无线通讯系统，尤其涉及一种基于超材料阵列天线的波束赋形(Beamforming，简称BF)和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，简称MIMO)多天线复用的切换系统。

背景技术

波束赋形技术是利用天线阵列通过先进的信号处理算法分别对各阵列上的天线单元进行加权处理，使得阵列天线实时对准有用信号方向。在干扰方向形成零点以抑制干扰信号，从而提高信干噪比，提升系统链路质量，增加系统的覆盖范围。

多输入多输出技术是在发送端和接收端分别安装多个天线的通信系统，它主要分成两类。一类是当发送端存在多个天线时，向各个发送天线发送相同数据，接收端对获得的多路信号进行接收合并，从而提高链路的可靠性，将这一类多输入多输出技术称之为空间分集。另一类是当发送端和接收端同时存在多个天线时，由于多输入多输出信道等效成多个并行的信道，从而可以同时并行发送多个不同的数据流，提高了数据的传输速率，从而这一类多输入多输出技术称之为空间复用。

但是，现有的波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统使用的常规天线信干噪比低且容易受到环境干扰，进一步影响整个系统的性能。同时常规天线重量和体积也较大，安装成本高并且非常不便。

发明内容

基于此，本发明为了解决常规天线信干噪比低且容易受到环境干扰，从而影响整个波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统的性能的技术问题。因此本发明提供一种基于超材料阵列天线的波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统。

一种基于超材料阵列天线的波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统包括模式判断模块、切换模块、BF发送模块及MIMO多天线复用模块，所述模式判断模块用于根据切换算法判断用户最适合使用的发送模式为波束赋形模式或者多输入多输出多天线复用模式；切换模块用于根据模式判断模块的结果切换决定采用波束赋形方式或多输入多输出多天线复用方式发送数据信息；BF发送模块，连接于所述切换模块，用于对数据乘以对应天线的权值分量后进行发送；MIMO多天线复用模块，连接于所述切换模块，用于对数据进行MIMO编码，并对MIMO编码后的数据进行发送；上述数据信息基于多个超材料天线单元组成的超材料天线以电磁波形式向外辐射。

进一步地，超材料天线包括：

阵列式天线，包括多个天线单元；所述每一天线单元包括镂刻有一槽拓扑图案的导电薄片、导电馈点及馈线；

一功分器，用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号通过各个导电馈点分别传送给所述呈阵列排布的各个天线单元；及

一反射单元，用于反射所述多个天线单元的向后辐射电磁波。

进一步地，所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上。

进一步地，所述槽拓扑图案为轴对称图案。

进一步地，所述槽拓扑图案为互补式开口谐振环图案、开口螺旋环图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴对称复合图案。

进一步地，所述槽拓扑图案为轴非对称图案。

进一步地，所述槽拓扑图案为互补式螺旋线图案、互补式弯折线图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴非对称图案。

进一步地，所述馈线的馈入方式与接地线的接地方式为容性耦合或感性耦合。

进一步地，所述馈线的馈入方式和接地线的接地方式可以选用：馈线电感馈入，接地线电感接地；馈线电感馈入，接地线电容接地；馈线电容馈入，接地线电感接地；馈线电容馈入，接地线电容接地四种中的任意一种。

进一步地，所述高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。

相比较现有技术，波束赋形和多输入多输出天线的切换系统，根据用户的工作环境和条件进行切换波束赋形工作模式或多输入多输出天线的工作模式，采用超材料阵列天线接收或发送信号，提高了整个系统的信干噪比，从而降低环境信号接收或发送的干扰。同时超材料阵列天线重量和体积也大大减少之，降低了长距离运输和安装的成本。

附图说明

图1是本发明基于超材料阵列天线的波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统的示意图；

图2为图1所示基于超材料阵列天线的波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统的模块图；

图3为图2所示的超材料阵列天线天线的平面示意图；

图4是图3所示超材料天线中一天线单元平面示意图；

图5为图4所示导电薄片上镂刻槽拓扑图案的示意图；其中，图5(a)是导电薄片上形成互补式开口谐振环图案，图5(b)是导电薄片上形成互补式螺旋线图案，图5(c)是是导电薄片形成开口螺旋环图案，图5(d)是导电薄片上形成双开口螺旋环图案，图5(e)是导电薄片上形成互补式弯折线图案；图5(f)是导电薄片上形成轴非对称的复合图案，图5(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案；

图6是图4所示导电薄片上可以通过形成衍生方式形成的图案，其中图6(a)为拓扑结构几何形状衍生图案；图6(b)为拓扑结构扩展衍生图案。

具体实施方式

请一并参考图1和图2，为本发明基于超材料阵列天线的波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统示意图和模块图。所述基于超材料阵列天线的波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统包括模式判断模块25、切换模块24、BF发送模块26及MIMO多天线复用模块27，所述模式判断模块25用于根据切换算法判断用户最适合使用的发送模式为波束赋形模式或者多输入多输出多天线复用模式；切换模块24用于根据模式判断模块25的结果切换决定采用波束赋形方式或多输入多输出多天线复用方式发送数据信息；BF发送模块26，连接于所述切换模块24，用于对数据乘以对应天线的权值分量后进行发送；MIMO多天线复用模块27，连接于所述切换模块24，用于对数据进行MIMO编码，并对MIMO编码后的数据乘以对应天线的权值分量进行发送。

无线通讯系统(如通信基站)通过信源21、信道编码22及调制23处理步骤之后，形成所述波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统的输入信号，然后基于多个超材料天线单元10组成的超材料天线28将数据信息以电磁波形式向外辐射。

本发明波束赋形和多输入多输出多天线复用的切换系统中超材料天线是基于人工电磁材料技术设计而成，人工电磁材料是指将金属片镂刻成特定形状的拓扑金属结构，并将所述特定形状的拓扑金属结构设置于一定介电常数和磁导率基材上而加工制造的等效特种电磁材料，其性能参数主要取决于其亚波长的特定形状的拓扑金属结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，天线的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可采用人工电磁材料技术对上述天线的基本特性进行改造，使得金属结构与其依附的介质基板等效地组成了一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线。以下详细介绍应用超材料天线：

请参阅图3，是本发明中一实施例的超材料天线的平面示意图。超材料天28包括一阵列式天线8、设置在阵列式天线8一侧的反射单元9及功分器7。所述阵列式天线8包括多个天线单元10。当所述第一超材料天22发送电磁波时，所述反射单元9用于反射各个天线单元10的向后辐射电磁波，使得上述天线装置1形成的后瓣得到压缩，以提高天线装置的发射效率。这样实现同样电磁波信号强度下，可以减少无线回传装置的辐射单元个数，进而减轻天线体积和重量，为高速公路/铁路上安装时搬运成本降低成，实现无线回传基站装置小型化和一体化。

功分器7用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号分别分配给所述呈阵列排布的各个天线单元10，根据波束赋形(beam forming)技术使所阵列式天线8产生电磁波定向辐射范围。在本实施方式中，所述功分器7采用一六功分器。

图4为图3所示天线装置中一天线单元平面示意图。天线单元10包括一绝缘的介质基板100，所述介质基板100的一表面101附着有导电薄片13a，在将导电薄片13a镂刻有一槽拓扑图案12a。在本实施方式中，导电薄片13a采用金属铜片，在金属铜片镂刻有一轴对称的槽拓扑图案12a。在其他实施方式中，槽拓扑图案12a为轴非对称图案。

在第一表面101上还形成一导电馈点14和与导电馈点14电连接的馈线11、一接地单元15a及接地线16。在本实施方式中，所述导电薄片13a通过接地线16连接接地单元15a。所述馈线11通过磁电耦合与导电薄片13a相关联。在其他实施方式中，馈线11和接地线16一般可以视为天线的两个引脚，以标准50欧姆阻抗馈入，但馈线11的馈入方式与接地线16的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合，具体来说，馈线11的馈入方式与接地线16的接入方式共有四种组合，分别是：馈线电感馈入，接地线电感接地；馈线电感馈入，接地线电容接地；馈线电容馈入，接地线电感接地；馈线电容馈入，接地线电容接地。在阵列式天线8上的天线单元10的拓扑微结构与尺寸可以相同，也可以不同，从而进行混合设计。

本发明中超材料天28，可通过调整馈线11的馈入耦合方式、接地线16的接地方式、天线单元10的拓扑结构与尺寸大小、以及馈线11与接地线16与天线单元10的可短接点位置来进行调谐，从而使天线形成多模工作。

请参阅图5，图5(a)是导电薄片上形成互补式开口谐振环图案，图5(b)是导电薄片上形成互补式螺旋线图案，图5(c)是是导电薄片形成开口螺旋环图案，图5(d)是导电薄片上形成双开口螺旋环图案，图5(e)是导电薄片上形成互补式弯折线图案；图5(f)是导电薄片上形成轴非对称的复合图案，图5(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案。

槽拓扑图案12a为轴对称图案，包括图5(a)所示互补式开口谐振环图案、图5(c)所示开口螺旋环图案、图5(d)所示开口螺旋环图案及图5(g)是导电薄片上形成轴对称的

复合图案；槽拓扑图案12a为轴非对称图案，包括但不限于图5(a)所示互补式螺旋线图案、图5(e)所示互补式弯折线图案及图5(f)所示轴非对称的复合图案。

上述槽拓扑图案12a还可以通过如图6所示衍生方式以形成更多的衍生图案，其中图6(a)为几何形状衍生方式示意图，几何形状衍生是指在本发明中导电薄片13a中的形状不仅仅局限于长方形，也可以为任意平面几何图形，如圆形、三角形、多边形等；图6(b)为扩展衍生方式示意图；扩展衍生是指在不改变原有导电薄片13a本质特性前提下，可以任意镂刻掉部分导电片从而扩展衍生出对称或者不对称的图案来。

由天线原理可知，电长度是描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，电长度＝物理长度/波长。当天线工作于低频时，低频对应的电磁波波长较长，在需要保持电长度不变的前提下，增长物理长度就是必要的选择。然而增大物理长度必然不能满足天线小型化的要求。根据公式f＝1/(2π可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率使得在不增加物理长度的前提下就可保持电长度不变。这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的天线。

本发明的介质基板100的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。在本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio FrequencyIdentification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于超材料阵列天线的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于包括模式判断模块、切换模块、BF发送模块及MIMO多天线复用模块，所述模式判断模块用于根据切换算法判断用户最适合使用的发送模式为波束赋形模式或者多输入多输出多天线复用模式；切换模块用于根据模式判断模块的结果切换决定采用波束赋形方式或多输入多输出多天线复用方式发送数据信息；BF发送模块，连接于所述切换模块，用于对数据乘以对应天线的权值分量后进行发送；MIMO多天线复用模块，连接于所述切换模块，用于对数据进行MIMO编码，并对MIMO编码后的数据进行发送；上述数据信息基于超材料天线以电磁波形式向外辐射；

超材料天线包括：

阵列式天线，包括多个天线单元；所述每一天线单元包括镂刻有一槽拓扑图案的导电薄片、导电馈点及馈线；

一功分器，用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号通过各个导电馈点分别传送给所述呈阵列排布的各个天线单元，根据波束赋形技术使所述阵列式天线产生电磁波定向辐射范围；及

一反射单元，用于反射所述多个天线单元的向后辐射电磁波，使得所述超材料天线形成的后瓣得到压缩，提高所述超材料天线的发射效率；

所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上，所述导电薄片通过接电线连接接地单元，所述馈线通过磁电耦合与所述导电薄片相关联。

2.根据权利要求1所述的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于，所述槽拓扑图案为轴对称图案。

3.根据权利要求2所述的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于，所述槽拓扑图案为互补式开口谐振环图案、开口螺旋环图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴对称复合图案。

4.根据权利要求1所述的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于，所述槽拓扑图案为轴非对称图案。

5.根据权利要求4所述的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于，所述槽拓扑图案为互补式螺旋线图案、互补式弯折线图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴非对称图案。

6.根据权利要求1所述的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于，所述馈线的馈入方式与接地线的接地方式为容性耦合或感性耦合。

7.根据权利要求6所述的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于，所述馈线的馈入方式和接地线的接地方式可以选用：馈线电感馈入，接地线电感接地；馈线电感馈入，接地线电容接地；馈线电容馈入，接地线电感接地；馈线电容馈入，接地线电容接地四种中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的波束赋形和多输入多输出多天线复用切换系统，其特征在于，所述介质基板选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料，所述高分子材料选用聚四氟乙烯、F4B或FR4。