CN106329154A - 一种紧凑型双极化mimo天线单元及所构成的四极化mimo天线系统 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，属于通信技术领域。双极化MIMO天线由1个电偶极子天线和1个与之共面的、几何中心共点的环天线所构成，通过EBG材料的填加来降低此环天线和电偶极子天线间的耦合，获得了一种高隔离度的共面双极化天线结构；并利用此双极化天线构成了一个共点正交的四极化MIMO天线，此四极化MIMO天线由2个电偶极子天线和2个环天线构成。本发明是首次提出了一种低耦合的、由1个电偶极子天线和1个与之共面的环天线所构成的双极化MIMO天线，并以此天线为基本单元，构成了一种由二个共点正交的电偶极子天线和二个共点正交的环天线所组成的共点正交的四极化MIMO天线，能在获取二个正交的电场分量的同时还可以获取两个正交的磁场分量，可以更充分地利用电磁场的矢量特性。

Description

一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线 系统

技术领域

本发明涉及一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，属于通信技术领域。

背景技术

多输入多输出(MIMO)系统在收发两端同时采用多个天线，通过信号处理技术，利用无线信道中的多径传播特性，可以同时建立多个并行的空间子通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，能成倍地提高通信系统的频谱效率和信道容量，因此在第四代移动通信系统中已获得了广泛的应用，在第五代移动通信系统中，大规模MIMO技术也成为其中最核心的技术之一。

然而，为了提供较大的信道容量，要求MIMO系统能够获得足够大的空间自由度。一个MIMO系统的空间自由度是指它所能支持的独立子信道数。在传统的基于单极化天线的MIMO系统中，为了获得足够大的空间自由度，要求发射阵和接收阵中天线单元的间距都要足够大。如果采用单极化的天线阵，在多径丰富的环境中所需的最小阵元间距为半个波长，而在多径稀疏的环境中可能要达到5-10个波长。由于基站和移动用户端的空间尺寸都很有限，因此单极化的MIMO系统在实际应用中会受到很大限制，而基于多极化天线的MIMO系统可以很好地解决这个问题。通过共点正交的多极化天线，或称矢量天线，空间中同一点的多个电磁场分量可以同时被探测到，从而使电磁场的矢量特性可以更充分的被利用。在多极化天线构成的MIMO系统中，由于对电磁场极化信息的利用，可以通过空间共点的、不同极化方式的天线来实现，因此多极化MIMO系统也提供了一种紧凑型MIMO天线的实现技术，在密集阵元的MIMO通信系统和高分辨率MIMO雷达等系统中都具有广泛的应用前景。

理论上，如果用一个共点的三个正交的电偶极子天线和三个正交的磁偶极子天线一起构成一个矢量天线，最多可以获得6个空间自由度。但实现共点正交的多极化天线的难度很大，主要原因是距离很近的多个天线之间的耦合作用很强，很难获得低耦合的共点正交的多极化天线结构。而天线之间的耦合会使各天线的辐射效率严重下降从而导致天线无法使用，因此目前人们对多极化天线的设计主要集中在二极化或三极化的MIMO天线，而对更多维极化天线的设计则较少见到。

在申请号201210231562.8中也提出了一种四极化天线，但这些天线由二个正交的电偶极子天线和另二个与它们分别成45°和-45°夹角的电偶极子天线构成。由于此天线中的四个阵元均为电偶极子天线，只能对电磁场中的电场分量进行探测，而本发明中的四极化天线由二个电偶极子天线和二个磁偶极子天线构成，可以同时对电磁场中的二个正交的电场分量和二个正交的磁场分量进行探测，因此可以更充分地利用电磁场的矢量特性。对于具有不同极化角度的电偶极子天线，当两个天线的夹角为90°时，它们所接收或发射信号的相关性最小，而当它们的夹角小于90°时，其相关性会增加，从而引起MIMO信道容量的下降。

此外，由于电偶极子天线的结构比环天线的结构简单，在由不同极化角度的电偶极子天线所构成的多极化天线中，它们之间的耦合相对较小，获得低耦合的多极化天线结构较为容易。而在由多个电偶极子天线和环天线进行组合所构成的多极化天线中，电偶极子天线和环天线间的耦合很难去除，特别是在共面的电偶极子天线和环天线之间，因此与完全由电偶极子所构成的多极化天线相比，由电偶极子天线和环天线的组合所构成的多极化天线的设计难度更大，需要在整个系统范围内进行统筹考虑，提出一些能够有效降低天线耦合的设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，利用极化分集原理，提出了一种紧凑型、低耦合的四极化MIMO天线系统。

一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，双极化天线由一个环天线和一个与之共面的电偶极子天线构成，四极化天线由两个电偶极子天线和两个环天线构成，彼此共点正交，四个天线工作在相同频带，双极化天线、四极化天线之间填加电磁带隙(EBG)材料以降低这些天线之间的耦合。

此双极化MIMO天线系统，由1个电偶极子天线和1个与之共面的、几何中心共点的环天线所构成，电偶极子天线被放置在环天线的内部，与环天线无交叉、无重叠，通过EBG材料的填加来降低此环天线和电偶极子天线间的耦合，获得了一种高隔离度的共面双极化天线结构。利用此双极化天线作为基本单元构成了一个共点正交的四极化MIMO天线，此四极化MIMO天线由2个电偶极子天线和2个环天线构成，并具有较高的隔离度。

解决了由1个电偶极子天线和1个与之共面的环天线所构成的共点正交的双极化天线中能够具有高隔离度这一核心问题，并利用此双极化天线构成了一个低耦合的、共点正交的四极化天线。

通过此四极化天线可以对电磁场中的2个正交的电场分量和2个正交的磁场分量同时进行探测，用于通信系统，可以增加系统的自由度。用于雷达、导航等系统可以提高定位和方位角等参数的估计精度。

本发明的优点是：

本发明是首次提出了一种由一个电偶极子天线和一个与之共面的环天线所构成的、几何中心共点的高隔离度的双极化MIMO天线，通过EBG结构来降低它们之间的耦合。并提出了以此双极化天线作为单元所构成的一种低耦合的四极化MIMO天线，此四极化天线由二个共点正交的电偶极子天线和二个共点正交的环天线来构成，它能同时实现对空间中同一点的二个正交的电场分量和二个正交的磁场分量的提取和利用，相比于以往的二极化和三极化天线，此四极化天线可以获得更高的极化自由度，相比于由不同极化角度的电偶极子所构成的四极化天线，此四极化天线在获取二个正交的电场分量的同时还可以获取两个正交的磁场分量，可以更充分地利用电磁场的矢量特性。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更透彻地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明中共面双极化MIMO天线的结构示意图。

图2为本发明的共点正交四极化MIMO天线结构示意图。

图3(a)为本发明的环天线结构示意图。

图3(b)为本发明中环天线的S参数图。

图4(a)为本发明的电偶极子天线结构示意图。

图4(b)为本发明中电偶极子天线的S参数图。

图5为本发明的由环天线、电偶极子天线和EBG材料组合在一起的双极化天线结构示意图。

图6(a)为未填加EBG材料的双极化天线的S参数图。

图6(b)为本发明中填加EBG材料后的双极化天线的S参数图。

图7(a)为本发明的螺旋型EBG结构之一示意图。

图7(b)为本发明的螺旋型EBG结构之二示意图。

图8为本发明的由上述双极化天线所构成的四极化天线结构示意图。

图9(a)为本发明的四极化天线的S参数之一图。

图9(b)为本发明的四极化天线的S参数之二图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

MIMO:multiple-input multiple-output多输入多输出；

EBG：Electromagnetic Band Gap电磁带隙；

实施例1：

本发明需要解决的核心技术问题是设计一种高隔离度的、紧凑型、共点正交的双极化MIMO天线及由该双极化天线所构成的一种紧凑型四极化MIMO天线系统。此双极化天线由一个环天线和一个与之共面的电偶极子天线构成，此四极化天线由两个电偶极子天线和两个环天线构成，彼此共点正交，四个天线工作在相同频带。为了降低这些天线间的耦合，在它们之间填加了一些电磁带隙(EBG)材料。

本发明中提出了一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统；

为了更充分地利用电磁场的矢量特性，本发明利用极化分集原理，设计了一种工作于同一频段的双极化天线，如图1所示，所述天线由一个第一环天线1和一个与之共面的第一电偶极子天线2构成，为了实现共点正交，电偶极子天线的中心与环天线的中心重合。

其中，第一环天线1和第一电偶极子天线2都位于xy平面，第一环天线1的轴与z轴重合，第一电偶极子天线2与y轴重合。此外，为了降低环天线和电偶极子天线间的耦合，在它们中间填加了一些EBG材料3，为了避免两个天线交叉，电偶极子天线采用了紧凑结构，使其能够被放置在环天线的内部。

为了具有磁偶极子天线的辐射特性，要求环天线上具有均匀的电流分布，但环的结构和形状任意，可以是圆形、矩形或其他，电偶极子天线的结构和形状任意，可以为矩形、三角形或其他结构。并不限定为图1中所示的结构和形状。

在此基础上，提出了一种紧凑的、低耦合、共点正交的四极化MIMO天线，如图2所示，此四极化天线由二个电偶极子天线和二个环天线构成，它们工作在相同频段。其中第一环天线1位于xy平面，第一电偶极子天线2位于y轴，第二环天线6位于xz平面，第二电偶极子天线7位于x轴。在电偶极子天线和环天线之间填加EBG材料3，以降低它们之间的耦合。通过此结构，两个电场分量Ex，Ey和两个磁场分量Hy，Hz可以同时被探测到，从而构成了共点正交的一个四极化MIMO天线。

图2中仅给出了由二个电偶极子天线和二个环天线所构成的共点正交四极化天线的一种情况，但并不能作为本发明的限定，利用其他电磁场分量的由二个电偶极子天线和二个环天线所构成的共点正交四极化天线的原理是类似的。

实施例2：作为本发明的一个示例性实施例，给出一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统的一个实施方案，此天线工作于2.4GHz频段，对于工作于其他频段的相应的双极化和四极化天线的设计原理类似。

在图3中给出了所设计环天线的结构和S参数。为了使环上具有均匀的电流分布，本发明中采用了一种具有零相移特性的传输线来构成一个环天线，为了便于将电偶极子天线置于此环天线的内部和方便EBG材料的填加，本发明采用了一种方环结构，此环天线的周长为236mm(1.888λ，其中λ为自由空间中的工作波长)，从而为其内部电偶极子和EBG材料的摆放创造了足够大的空间。

在图4给出了所设计电偶极子天线的结构和S参数。由于上述方环天线的边长为0.472λ，如果采用传统的半波长电偶极子天线，则电偶极子会与环天线相互交叉，导致此双极化天线无法工作。

因此本发明中采用了一种折叠式结构来实现一个紧凑型的电偶极子天线，此天线也工作与2.4GHz，但长度仅为0.275λ，与半波长电偶极子天线相比，它的物理长度减少了45％，从而可以被置于环天线的内部而不产生任何交叉，并为电偶极子与环天线之间EBG材料的填加留出了足够的空间。

但如果把此电偶极子天线直接置于环天线内部，则它们之间的耦合非常大导致此双极化天线无法正常工作。

因此本发明中在此电偶极子和环天线之间填加了一些EBG材料，利用EBG的带阻特性，使特定频段的电磁波无法从中通过，因此可以提高工作于此频段的天线之间的隔离度。

在图5中给出了加入了EBG材料的双极化天线的结构，此天线工作于2.4GHz，在图6中对未加入EBG材料和已加入EBG材料的两种双极化天线的S参数进行了对比，可以见到，通过EBG材料，可以使共面的电偶极子天线和环天线的耦合下降约16dB，到达-20dB，使共面的电偶极子天线和环天线间的耦合明显降低。但EBG中经常用到的Sievenpiper蘑菇结构的边长要达到15mm，由于尺寸过大，在本发明中并不适用。

因此，本发明中采用了如图7所示的一种螺旋型EBG结构，它的每个单元的长度a＝2mm，可以工作于目标频段2.4GHz，并且很有效地升了隔离度。

在图8中给出了由所述双极化天线所构成的四极化MIMO天线，此四极化天线包括位于xy面的第一环天线1和第一电偶极子天线2，此环天线的轴沿着z轴，此电偶极子天线沿着x轴，和位于yz面的第二环天线6和第二电偶极子天线7，此环天线的轴沿着x轴，此电偶极子天线沿着z轴，在它们之间填加了一些EBG材料3，两个环天线和两个电偶极子天线都工作在2.42GHz频段，通过此四极化天线可以被探测到的电磁场分量为Ex，Ez和Hx，Hz。

在图9中给出了上述四极化天线的S参数，从图9中可见，其反射系数和耦合在2.40GHz-2.44GHz内都具有令人满意的结果。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，其特征在于双极化天线由一个环天线和一个与之共面的电偶极子天线构成，四极化天线由两个电偶极子天线和两个环天线构成，彼此共点正交，四个天线工作在相同频带，双极化天线、四极化天线之间填加电磁带隙(EBG)材料。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，双极化MIMO天线的特征在于由1个电偶极子天线和1个与之共面的、几何中心共点的环天线所构成，通过EBG材料的填加来降低此环天线和电偶极子天线间的耦合，获得了一种高隔离度的共面双极化天线结构；并利用此双极化天线构成了一个共点正交的四极化MIMO天线，此四极化MIMO天线由2个电偶极子天线和2个环天线构成。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，其特征在于双极化天线由一个环天线和一个与之共面的电偶极子天线构成，电偶极子天线的中心与环天线的中心重合，环天线和电偶极子天线都位于xy平面，环天线的轴与z轴重合，电偶极子天线与y轴重合，环天线和电偶极子天线间填加EBG材料，电偶极子天线被放置在环天线的内部，与环天线无交叉、无重叠；四极化MIMO天线由二个该双极化天线构成，包括二个环天线和二个电偶极子天线。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统，其特征在于一种紧凑型双极化天线所构成的四极化MIMO天线系统，环天线上具有均匀的电流分布，环天线的结构和形状任意，任意为能够是圆形、矩形或其他，电偶极子天线的结构和形状任意，任意为能够是矩形、三角形或其他结构。