CN106953166A - 一种窄波束扫描智能mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄波束扫描智能MIMO天线，其包括设置以介质板一的中心轴为中心呈放射状环形布局的n个辐射单元一的圆形绝缘介质板一，与介质板一同轴设置的圆形绝缘介质板二，竖立于介质板一和介质板二之间且以介质板一的中心轴为中心呈放射状环形布局的n个绝缘介质板三，竖立于介质板一和介质板二之间且以介质板一的中心轴为中心呈放射状环形布局的n个绝缘介质板四，安装介质板三和四的绝缘介质支架。介质板二设置以其中心轴为中心呈放射状环形布局的n个辐射单元二。每个介质板三设置一个辐射单元三，每个介质板四设置一个辐射单元四，介质板三和四交错间隔均布。每个辐射单元三和每个辐射单元四的引向器均显露在介质支架外。

Description

一种窄波束扫描智能MIMO天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种窄波束扫描智能MIMO天线。

背景技术

近年来，移动互联通讯迅猛发展，已渗透到生活的方方面面。一方面智能手机、平板电脑、PC终端电视机、车载设备、甚至眼睛手表等可穿戴之物，正逐步融入移动物联网；另一方面传统行业与互联网的融合正在呈现新的特点，网络平台建设和商业模式都发生了改变。终端和行业的这些变化，带来数据流的快速增长。

传统的解决方案是AP+普通全向天线。AP(Access Point，AP访问接入点)就是传统有线网络中的HUB，也是组建小型无线局域网时最常用的设备。AP相当于一个连接有线网和无线网的桥梁，其主要作用是将各个无线网络客户端连接到一起，然后将无线网络接入以太网。大多数的无线AP都支持多用户接入、数据加密、多速率发送等功能，一些产品更提供了完善的无线网络管理功能。对于家庭、办公室这样的小范围无线局域网而言，一般只需一台无线AP即可实现所有计算机的无线接入。AP的室内覆盖范围一般是30m～100m，不少厂商的AP产品可以互联，以增加WLAN覆盖面积。也正因为每个AP的覆盖范围都有一定的限制，正如手机可以在基站之间漫游一样，无线局域网客户端也可以在AP之间漫游。

传统的解决方案有明显的不足：1、抗干扰差。天线是全向天线，无法对来自各个方向的干扰信号进行空间滤波；2、信号衰弱大，导致信号失真较大。3、频谱利用率低导致系统容量低等。这些不足导致在终端用户密集场所(如大型会议室、办事大厅、大型商场、机场、车站等)的上网体验非常差，甚至无法 连接上网，这是长期困扰业界的难题，也是用户上网体验的痛点。

目前设计的定向窄波选择智能天线系统可实现对干扰信号的空间滤波，抑制干扰信号，提高天线的增益，提高系统的接收灵敏度及信号覆盖范围，同时提高频谱的利用率，提高系统容量，迅速解决用户稠密区的上网体验不佳的痛点。然而，将波束的零点方向对准干扰方向还是会存在一定的误差。

发明内容

本发明提出了一种窄波束扫描智能MIMO天线，其实现双频段4路信号n个扇区的窄波束切换扫描，每个扇区形成双频2×2MIMO子天线，将波束的零点方向精确对准干扰方向。

本发明的解决方案是：一种窄波束扫描智能MIMO天线，其包括：

圆形绝缘介质板一，其设置以介质板一的中心轴为中心呈放射状环形布局的n个辐射单元一，n为正整数且为偶数；

圆形绝缘介质板二，其与介质板一同轴设置，且设置以介质板二的中心轴为中心呈放射状环形布局的n个辐射单元二；

n个绝缘介质板三，其竖立于介质板一和介质板二之间且以介质板一的中心轴为中心呈放射状环形布局，每个介质板三设置一个辐射单元三；

n个绝缘介质板四，其竖立于介质板一和介质板二之间且以介质板一的中心轴为中心呈放射状环形布局，每个介质板四设置一个辐射单元四，该n个介质板三和该n个介质板四交错间隔均布；

绝缘介质支架，其固定在介质板一和介质板二之间且用于安装该n个介质板三和该n个介质板四，每个辐射单元三和每个辐射单元四的引向器均显露在介质支架外。

作为上述方案的进一步改进，介质支架开设有以介质支架的中心为圆心而呈环形布置的n个槽一和n个槽二，且槽一与槽二两两相邻错开布置；n个介质板三分别插在n个槽一内，n个介质板四分别插在n个插槽二内。

作为上述方案的进一步改进，介质板一面向介质板二的面为介质板一的正面，介质板一的背对着介质板二的面为介质板一的背面；

每个辐射单元一包括：金属图形组合一，其设置在介质板一正面的上且包括呈对称布局的金属图形一和金属图形二；金属图形三，其设置在介质板一背面上且在与相应金属图形组合一相对应的位置上，该金属图形三与相应的金属图形组合一耦合且设置一个信号馈入点。

进一步地，每个金属图形一和相应的金属图形二位于一个介质板三的相对两侧，相邻两个金属图形组合一之间位于一个介质板四的相对两侧。

进一步地，介质板二面向介质板一的面为介质板二的正面，介质板二的背对着介质板一的面为介质板二的背面；每个辐射单元二设置在介质板二的正面上，且每个辐射单元二的中心线与相应质板三、相应金属图形组合一的中心线位于同一平面上。

再进一步地，介质板三具有辐射单元三的侧面沿同一时针走向排布。

优选地，介质板四具有辐射单元四的侧面排布与介质板三具有辐射单元三的侧面排布相同。

再优选地，辐射单元二、辐射单元三、辐射单元四具有相同的金属图形。

再优选地，每个辐射单元三设置平行于介质板一的中心轴的两个引向器。

进一步地，圆形介质板二的直径不大于由该n个辐射单元一构成的圆环的内直径。

进一步地，n为8，相邻介质板三和介质板四之间呈22.5°夹角。

本发明实现双频段4路信号n个扇区的窄波束切换扫描，形成2×2MIMO窄波束智能天线，通过波束切换扫描能使天线最大辐射方向指向终端客户，把天线辐射方向图零点对准干扰的方向，对干扰信号的空间滤波，抑制干扰信号，从而大大提高无线吞吐量和带机量，实现终端用户密集场所通信性能良好的目的。

附图说明

图1是本发明窄波束扫描智能MIMO天线的立体示意图。

图2是图1去掉支架51后的天线立体图。

图3是图1中天线的圆形介质板一的正面结构图。

图4是图3中圆形介质板一的背面结构图。

图5是图1中天线圆形介质板二的正面结构图。

图6是图1中天线的插接介质板三的正面结构图。

图7是图1中插接介质板四的背面结构图。

图8是图1中天线中介质支架3D结构图。

图9是图1中天线的射频信号传入方式图。

图10a是图1中天线的仿真结果图。图中可看出天线在2.4GHz～2.5GHz频段内VSWR小于2。

图10b是图1中天线的仿真结果图。图中可看出天线在5.15GHz～5.85GHz频段内VSWR小于2。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1及图2，本发明的窄波束扫描智能MIMO天线包括圆形绝缘介质板一11、圆形绝缘介质板二41、n个绝缘介质板三、n个绝缘介质板四、绝缘介质支架51。n为正整数且为偶数，在本实施例中，n以8为例做举例说明。介质板一11与介质板二41同轴设置，绝缘介质板三和绝缘介质板四通过插接在绝缘介质支架51而竖立安装在介质板一11与介质板二41之间。

请结合图3及图4，圆形绝缘介质板一11设置以介质板一11的中心轴为中心呈放射状环形布局的八个辐射单元一。介质板一11面向介质板二41的面为介质板一11的正面，介质板一11的背对着介质板二41的面为介质板一11 的背面。

每个辐射单元一包括金属图形组合一和金属图形三。金属图形组合一设置在介质板一11正面的上且包括呈对称布局的金属图形一和金属图形二，如图3中的附图标记111、113、115、117、119、121、123、125为金属图形一，附图标记112、114、116、118、120、122、124、110为相应的金属图形二。金属图形三设置在介质板一11背面上且在与相应金属图形组合一相对应的位置上，因此八个金属图形三也以介质板一11的圆心为圆心呈环形布局，如图3中的附图标记132、133、134、135、136、137、138、139为金属图形三。该金属图形三与相应的金属图形组合一耦合且设置一个信号馈入点。金属图形111、112和132组合在一起就是耦合馈电的对称阵子，同理，金属图形113、114和133；金属图形115、116和134；金属图形117、118和135；金属图形119、120和136；金属图形121、122和137；金属图形123、124和130；金属图形125、110和131构成另外七个耦合馈电的对称阵子，总共八个耦合馈电的对称阵子，且以介质板一11的圆心为中心呈环形放射状布置，相互间隔45°，形成八个扇区覆盖。

因此，金属图形一和相应金属图形二形成八个对称阵子，八个对称阵子以介质板一11的圆心为圆心呈环形布局。在介质板一11的背面上除了八个金属图形三之外，还设置了圆形金属图形41，圆形金属图形41与介质板一11同心，且直径小于介质板一11。故，介质板一11正面上的八个对称阵子两两之间呈45°夹角，介质板一11背面的八个金属图形三呈45°夹角，均以介质板一11的圆心为中心呈放射状排布，且背面的八个金属图形三分别设置在八个对称阵子的正下方。

每个金属图形一和相应的金属图形二位于一个介质板三的相对两侧，相邻两个金属图形组合一之间位于一个介质板四的相对两侧。

请结合图5，介质板二41与介质板一11同轴设置，且设置以介质板二41的中心轴为中心呈放射状环形布局的八个辐射单元二。圆形介质板二41的直径 不大于由八个辐射单元一构成的圆环的内直径。

介质板二41面向介质板一11的面为介质板二41的正面，介质板二41的背对着介质板一11的面为介质板二41的背面。每个辐射单元二设置在介质板二41的正面上，且每个辐射单元二的中心线与相应质板三、相应金属图形组合一的中心线位于同一平面上。

因此，介质板二41正面上设置有八个金属图形四，八个金属图形四以介质板二41的圆心为中心呈对称环形排布，如图5中的附图标记411、412、413、414、415、416、417、418。每个金属图形四上具有一个馈线焊接区作为信号馈入点。介质板二41还设置了金属图形五41，金属图形五41为圆形，与介质板二41同心。介质板二41背面上还设有金属图形六(图未示)，金属图形六成圆形，与金属图形五41同心且同直径。介质板二41的八个金属图形四以介质板二41的圆心为中心呈放射状排布，且两两之间呈45°夹角。

八个绝缘介质板三竖立于介质板一11和介质板二41之间且以介质板一11的中心轴为中心呈放射状环形布局，每个介质板三设置一个辐射单元三。八个绝缘介质板三如附图1中的附图标记21、22、23、24、25、26、27、28。

请结合图6，介质板三的正面上设置有金属图形六，金属图形六构成辐射单元三的主要部件，包括：有源阵子212、引向器213和214、反射器211。有源阵子212、引向器213和214、反射器211呈一定间隔比例排布。有源阵子212接有平衡-不平衡转换巴伦。在有源阵子212中间位置还设置有馈线焊接区210用于焊接射频线接收射频信号。

八个绝缘介质板四也竖立于介质板一11和介质板二41之间且以介质板一11的中心轴为中心呈放射状环形布局，每个介质板四设置一个辐射单元四，该八个介质板三和该八个介质板四交错间隔均布，故相邻介质板三和介质板四之间呈22.5°夹角。八个绝缘介质板四如附图1中的附图标记31、32、33、34、35、36、37、38。

请结合图7，介质板四的正面上，设置有金属图形七，金属图形七构成辐 射单元四的主要部件，包括有源阵子312、引向器313、反射器311。有源阵子312、引向器313、反射器311呈一定间隔比例排布。有源阵子312接有平衡-不平衡转换巴伦。相比辐射单元四，每个辐射单元三设置平行于介质板一11的中心轴的两个引向器213和214。在有源阵子312中间位置还设置有馈线焊接区314，用于焊接射频线接收射频信号。

介质板三具有辐射单元三的侧面沿同一时针走向排布，介质板四具有辐射单元三的侧面也沿同一时针走向排布，介质板四具有辐射单元四的侧面排布可与介质板三具有辐射单元三的侧面排布相同。

请结合图8，绝缘介质支架51固定在介质板一11和介质板二41之间且用于安装该八个介质板三和该八个介质板四，每个辐射单元三和每个辐射单元四的引向器均显露在介质支架51外。

介质支架51开设有八个槽一和八个槽二，八个槽一和八个槽二以介质支架51的中心为圆心呈环形布置，槽一八与八槽二两两相邻错开布置。八个介质板三分别插在八个槽一内，八个介质板四分别插在八个插槽二内。在其他实施例中，只要能保证介质板三和介质板四之间的布局关系，也可以不设置插槽，黏结也可以，卡位也都可以。

介质支架51在使用时，介质支架51固定在介质板一11上，介质板二41固定在介质支架51上。介质板一11、介质板二41和介质支架51组合后呈三层结构，且同轴，介质板一11位于底层，介质支架51位于中间层，介质板二41而位于顶层，形成整个天线构架。在本实施例中，辐射单元二、辐射单元三、辐射单元四具有相同的金属图形，所有金属图形都可通过印刷设置在相应的介质板上。

请结合图9，该窄波束扫描智能MIMO天线接收四个频段的四路射频信号，即：一.圆形介质板一11上的八个阵子接收一路射频信号一即频段1的射频信号1；二.圆形介质板二41上的八个金属图形四接收射频信号二即频段1的射频信号2；三.八个接插介质板三上的金属图形六接收一路射频信号三即频段2的 射频信号3；四.八个接插介质板四上的金属图形七接收一路射频信号四即频段4的射频信号4。

频段1的射频信号1通过半导体开关切分成八路，分别接到圆形介质板一11背面上的八个金属图形130、131、132、133、134、133、134、135、136、137，信号通过耦合的方式传送到圆形介质板一11正面的金属图形，八个金属图形组合分别接收高频信号，八个金属图形组合以圆形介质板一圆心为中心呈环形放射状布置，相互间隔45°，形成八个方向的窄波束辐射，每个波束的辐射轴线相互间隔45°，频段1的射频信号1可向八个方向辐射。

频段1的射频信号2通过半导体开关切成八路，分别接到八个接插介质板三21、22、23、24、25、26、27、28上的馈电焊接区，八个接插介质板三呈环形放射状布置，两两之间相互间隔45°，频段2的射频信号2可向八个方向辐射，辐射轴线间隔45°。

频段2的射频信号3通过半导体开关切成八路，分别接到八个接插介质板四31、32、33、34、35、36、37、38上的馈电焊接区，八个接插介质板四呈环形放射状布置，两两之间相互间隔45°，频段2的射频信号2可向八个方向辐射，辐射轴线间隔45°。

频段2的射频信号4通过半导体开关切成八路，分别接到圆形介质板二正面的八个金属图形组411、412、413、414、415、416、417、418，每个金属图形组是一个辐射单元组，有反射器和引向器，信号经反射器反射和引向器引向后，波束指向性加强，波束变窄，增益提高，信号穿透性更强，覆盖更远。金属图形组411、412、413、414、415、416、417、418以圆形介质板二圆心为中心呈环形放射状布置，相互间隔45°，频段4的射频信号4可向八个方向辐射，辐射轴线间隔45°。

这样的天线设计可实现双频段4路信号8个扇区的窄波束切换扫描，形成2×2MIMO窄波束智能天线，通过波束切换扫描和智能算法，使天线最大辐射方向指向终端客户，把天线辐射方向图零点对准干扰的方向，对干扰信号的空 间滤波，抑制干扰信号，从而大大提高无线吞吐量和带机量，实现终端用户密集场所通信性能良好的目的。

在本实施例中，金属可以采用铜，金属表面可以处理：涂覆绿油。本发明的多波束扫描智能MIMO天线的工作频带可以为2.412～2.484GHz和5.15～5.85GHz。圆形介质板一11的尺寸优选为半径80mm，1mm厚，圆形介质板二41的尺寸优选半径为40mm，八个接插介质板三21、22、23、24、25、26、27、28的优选尺寸40*30*1mm，八个接插介质板四31、32、33、34、35、36、37、38的优选尺寸为50*50*1mm。

通过以上设计，使多波束扫描智能MIMO天线的阻抗特性、天线增益、驻波比、隔离度、E面和H面3dB波瓣宽度等性能参数满足要求，从而得到一种低成本、高通信效率、高通信容量、高抗干扰性能的室内AP智能MIMO天线。AP智能MIMO AP天线的工作频段2.412～2.484GHz 5.15～5.85GHz；2.4G频段增益大于4.5dBi；驻波比小于2；端口隔离度小于-20dB；特性阻抗为50Ω；5.0G频段增益大于5.0dBi；驻波比小于2；端口隔离度小于-22dB；特性阻抗为50Ω；接头方式为IPX带射频屏蔽线，且屏蔽线长度可选。本实施例将所述的尺寸固定，使其成本达到最低，安装简单，通信性能良好，其多波束扫描智能MIMO天线的部分仿真结果如图10a和图10b所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种窄波束扫描智能MIMO天线，其包括：

圆形绝缘介质板一(11)，其设置以介质板一(11)的中心轴为中心呈放射状环形布局的n个辐射单元一，n为正整数且为偶数；

圆形绝缘介质板二(41)，其与介质板一(11)同轴设置，且设置以介质板二(41)的中心轴为中心呈放射状环形布局的n个辐射单元二；

n个绝缘介质板三，其竖立于介质板一(11)和介质板二(41)之间且以介质板一(11)的中心轴为中心呈放射状环形布局，每个介质板三设置一个辐射单元三；

其特征在于：其还包括：

n个绝缘介质板四，其竖立于介质板一(11)和介质板二(41)之间且以介质板一(11)的中心轴为中心呈放射状环形布局，每个介质板四设置一个辐射单元四，该n个介质板三和该n个介质板四交错间隔均布；

绝缘介质支架(51)，其固定在介质板一(11)和介质板二(41)之间且用于安装该n个介质板三和该n个介质板四，每个辐射单元三和每个辐射单元四的引向器均显露在介质支架(51)外。

2.如权利要求1所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：介质支架(51)开设有以介质支架(51)的中心为圆心而呈环形布置的n个槽一和n个槽二，且槽一与槽二两两相邻错开布置；n个介质板三分别插在n个槽一内，n个介质板四分别插在n个插槽二内。

3.如权利要求1所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：介质板一(11)面向介质板二(41)的面为介质板一(11)的正面，介质板一(11)的背对着介质板二(41)的面为介质板一(11)的背面；

每个辐射单元一包括：金属图形组合一，其设置在介质板一(11)正面的上且包括呈对称布局的金属图形一和金属图形二；金属图形三，其设置在介质板一(11)背面上且在与相应金属图形组合一相对应的位置上，该金属图形三与相应的金属图形组合一耦合且设置一个信号馈入点。

4.如权利要求3所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：每个金属图形一和相应的金属图形二位于一个介质板三的相对两侧，相邻两个金属图形组合一之间位于一个介质板四的相对两侧。

5.如权利要求3所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：介质板二(41)面向介质板一(11)的面为介质板二(41)的正面，介质板二(41)的背对着介质板一(11)的面为介质板二(41)的背面；每个辐射单元二设置在介质板二(41)的正面上，且每个辐射单元二的中心线与相应质板三、相应金属图形组合一的中心线位于同一平面上。

6.如权利要求3所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：介质板三具有辐射单元三的侧面沿同一时针走向排布；介质板四具有辐射单元四的侧面排布与介质板三具有辐射单元三的侧面排布相同。

7.如权利要求6所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：辐射单元二、辐射单元三、辐射单元四具有相同的金属图形。

8.如权利要求7所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：每个辐射单元三设置平行于介质板一(11)的中心轴的两个引向器。

9.如权利要求1所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：圆形介质板二(41)的直径不大于由该n个辐射单元一构成的圆环的内直径。

10.如权利要求1所述的窄波束扫描智能MIMO天线，其特征在于：n为8，相邻介质板三和介质板四之间呈22.5°夹角。