CN107112639A - 六端口六极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使用无线电波的多个极化状态的天线10。所述天线10包括：三端口P1，P2，P3模块20、单端口P4模块30和二端口P5，P6模块40。所述三端口模块20包括电性辐射元件21和两个磁性辐射元件22。所述单端口模块30包括磁性辐射元件31。所述二端口模块40包括两个电性辐射元件41，42。所述三个模块20，30，40堆叠起来。本发明还涉及一种用于制造天线10的方法，包括以下步骤：相互独立地形成三个模块20，30，40；堆叠所述三个模块20，30，40以组装天线10；以及将每个模块20，30，40的谐振调谐成无线电波的频段。

Description

六端口六极化天线

技术领域

本发明涉及一种用于发送和/或接收无线电波的天线，所述天线使用无线电波的多个极化状态。具体地，所述天线为六端口六极化天线，即，具有六个天线端口并使用无线电波的六个极化状态的天线。所述天线旨在在多输入多输出(MIMO)室内信道的丰富散射环境中针对增强的通信使用极化分集。

背景技术

术语分集涉及一种用于提高无线通信质量的方法。存在五种众所周知并且不同类型的分集，即，空间分集、时间分集、极化分集、频率分集和模式(即，角度)分集。现有技术的空间、极化和模式分集用于，例如，WLAN天线系统中的实际实例中。具体地，极化分集用在双极化天线系统中，即，使用接收和/或发送的电磁辐射的两个极化状态的天线系统，其可以表现出比单极化天线系统好高达两倍的接收，其仅在一个维度上线性极化地采用电磁辐射。

此外，存在理论上的考虑，表明在丰富散射环境中六自由度原则上能够用于采用极化分集的天线系统，即，例如，由天线系统发送和/或接收的无线电波的6种电磁极化状态。通过这种六自由度，例如，给定点上的六种可区别电磁极化状态，相对于传统的二自由度，可以获得增加了3倍的信道容量，其用在自由空间中(即，发射器和接收器之间的视线传播)。

对于具有特定信道特性的信道(特别是对于通信带宽较窄的信道或者对于平坦衰落的信道，其中，发送的信号为功率相等的不相关白色高斯随机过程，并且信噪比较大)，信道矩阵H在双反射器散射环境中具有六个非零特征值。从物理立场来看，这六个特征值对应三个相互正交的电向量分量和三个相互正交的磁向量分量，其均可以用于在丰富散射环境中生成六个独立的极化分集支路。

原则上，六自由度的理论考虑在散射丰富的传播信道中进行了实验验证。然而，实验验证仅使用采用377MHz频段的装置演示，不能在实际的无线设备中使用。此外，由于使用了集总匹配组件，实验装置仅显示出非常低的辐射效率，并且尺寸相当大。

现有技术中已知的大多数较新方法侧重于三端口三极化天线，其通常旨在在极化分集的帮助下增强通信容量。这是因为设计任务复杂，从而有必要创建紧凑而高效的六端口六极化天线，其可以完全利用电磁极化的上述资源。

从现有技术中已知几种用于设计三极化天线的方法。这些方法的共同特征是提出了一种用于无线通信的方法，其中，可以利用极化分集来改善衰落性能或提高散射环境中通信信道的容量。现有技术的方法的目标是制造一种三极化天线系统，并且相较于更大尺寸的常规3x3单极化天线系统的容量研究其容量。

三极化天线系统的不同设计包括圆形贴片和单极子的组合，或包括基于位于每个立方体边上三极化天线的MIMO系统的多端口天线立方体(cube)，或包括三端口正交极化偶极子和槽式天线，或包括采用切口天线的三极化天线系统。

发明内容

鉴于上述，需要更先进的天线系统，其具有三个或更多个不相关的端口，以便使天线系统(例如，极化分集情况下的多个电磁极化状态)能够采用更多独立的传播路径以及更多的自由度。尤其是在丰富散射环境中，多个极化状态将大大提高通信。具体地，MIMO天线系统中的6个极化分集支路允许充分利用多径传播条件下增强通信的电磁极化状态的潜能(potential)。然而，创建紧凑并有效的六端口六极化天线用作MIMO天线系统的技术任务是一项重大挑战。

因此，本发明的目的是提供一种天线，其能够采用无线电波的极化状态的最大允许数量，并且既紧凑又有效率。具体地，所述天线应适于实际应用，例如，MIMO无线信道中。有利地，六个统计上独立并行的MIMO信道应可供天线用于增加通信容量。

上述目的通过所附独立权利要求中所提供的解决方案来实现。有利实现方式在各从属权利要求中进行限定。具体地，根据所要求保护的天线和方法，通信容量可通过采用无线电波的多达六个极化状态的天线而提高。

本发明的第一方面提供一种用于使用无线电波的多个极化状态的天线，包括：三端口模块，包括电性辐射元件和两个磁性辐射元件；单端口模块，包括磁性辐射元件；和二端口模块，包括两个电性辐射元件；其中，所述三个模块堆叠起来。

由于天线的堆叠设计，本发明所述天线与常规的空间分集单端口单极化多元件阵列天线系统相比尺寸非常紧凑。天线的六个辐射元件，即，三个电性辐射元件和三个磁性辐射元件，允许使用采用了三个电场向量和三个磁场向量的六种极化。由此，与双极化天线相比，通信采用所述天线进行的话容量可以翻三倍，与三极化天线相比，可以翻两倍。本发明可以尤其适用于复杂的丰富散射多径传播条件下。

由于天线设计的模块化方法，即，由于各模块的堆叠，所述天线非常适合于进行组装和调谐。具体地，每个模块可以独立于其它模块进行调谐。简单调谐的结果是，与密集集成的多端口多极化天线——其需要更复杂、费时和昂贵的调谐相比，总体天线成本较低。模块化方法还使得设计更加灵活并且天线各模块具有不同的形状。此外，模块位置相对彼此是可变的。

在根据第一方面所述天线的第一种实施形式中，所述三端口模块的每个磁性辐射元件包括设置在第一基板中的槽，并且所述三端口模块的电性辐射元件包括从所述第一基板突出的单极子。

因此，所述三端口模块就其自身而言可以被视为是采用了两个磁场分量和一个电场分量的三端口三极化天线。

在根据第一方面的第一种实施形式所述天线的第二种实施形式中，所述槽彼此正交。

因此，磁场分量彼此正交，并且允许提供无线电波的两个干净极化状态，其可以用作两个独立的MIMO信道。

在根据第一方面的第一种实现形式或第一方面的第二种实施形式所述天线的第三种实施形式中，所述单极子从所述第一基板正交突出。

因此，电场分量正交于两个磁场分量，并且允许无线电波的第三干净极化态，其可以用作第三独立的MIMO信道。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实现形式所述天线的第四种实施形式中，所述单端口模块的磁性辐射元件包括设置在第二基板上的导电回路。

因此，单端口模块就其自身而言可以被视为是采用了一个磁场分量的单端口单极化天线。磁场分量优选正交于三端口模块的磁场分量，并且优选平行于三端口模块的电场分量。因此，磁场分量提供无线电波的第四干净极化状态，其可以用作第四独立的MIMO信道。

在根据第一方面的第四种实施形式所述天线的第五种实施形式中，所述天线用于保持所述导电回路周围均匀的幅度和相位电流。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实现形式所述天线的第六种实施形式中，所述二端口模块的每个电性辐射元件包括设置在第三基板中的偶极子。

因此，二端口模块就其自身而言可以被视为是采用了两个电场分量的二端口二极化天线。

在根据第一方面的第五种实施形式所述天线的第七种实施形式中，所述偶极子彼此正交。

因此，两个电场分量彼此正交，并且正交于三端口模块的电场分量，因而允许无线电波的第五和第六干净极化状态，其可以用作第五和第六第三独立的MIMO信道。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实现形式所述天线的第八种实施形式中，所述三端口模块堆叠在所述单端口模块上，所述二端口模块堆叠在所述三端口模块上。

对于本发明所述天线，所有天线端口中的辐射效率和峰值增益值是可以比较的。三个模块的堆叠顺序提供了各天线端口的最佳去耦合和去相关性。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实现形式所述天线的第九种实施形式中，所述三个模块的基板优选为印刷电路板PCB，并且定向为彼此平行。

通过使用常规的印刷电路技术，具有相对简单设计的低成本天线是可能的。PCB仅需要用于制造的普通廉价材料和组件。这意味着，整个天线仅需要用于其制造的常规技术、材料以及组件。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实施形式所述天线的第十种实施形式中，堆叠天线的宽度、深度和高度分别是无线电波波长的大约一半。

因而，本发明所述天线仅占用很小的3D空间，其尺寸为特征尺寸，即无线电波波长的大约一半。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实现形式所述天线的第十一种实施形式中，所述天线适于多输入多输出MIMO通信。

在根据第一方面的第十一种实施形式所述天线的第十二种实施形式中，所述天线的六个端口被去耦合和去相关，因而适于六个统计上独立并行的MIMO信道。

在根据第一方面或根据第一方面的任一实现形式所述天线的第十三种实施形式中，对于频率约为5～6GHz的无线电波，所述天线的所有成对的六个端口的端口相关性为-15dB或更小，优选-17dB或更小的。

六个天线端口之间的低相关性提供了使用六个统计上独立的通信信道的机会。因而，天线增加了通信速度，尤其是多径传播条件下的通信速度。

本发明的第二方面提供了一种用于制造根据第一方面的任一实现形式所述天线的方法，所述方法包括以下步骤：相互独立地形成三个模块；堆叠所述三个模块以组装天线；将每个模块的谐振调谐成无线电波的频段。

本发明所述天线的模块化生产方案特别容易。因而，所述天线可以在较短时间内以较低成本进行制造。具体地，各模块的单独调谐显著降低了天线成本。

附图说明

结合说明书附图在具体实施例的以下描述中对本发明的上述方面和实施形式进行说明，其中：

图1示出了本发明所述具有三个堆叠模块的天线，即，三端口模块、单端口模块以及二端口模块。

图2示出了本发明所述天线的三端口模块。

图3示出了本发明所述天线的单端口模块。

图4示出了本发明所述天线的二端口模块。

图5示出了本发明所述天线的组装。

图6示出了本发明所述天线的端口对之间的相关性。

具体实施方式

本发明所述天线10基于模块化方法进行设计。本发明的组装天线10适于采用无线电波的多个极化状态，同时由于其如图1所示的六端口堆叠天线设计而尺寸紧凑。

图1所示天线10由多个堆叠模块20，30，40组成，其一起形成六个极化分集支路。优选地，如图1所示，天线10由三个堆叠模块20，30，40组成。天线的单个模块20，30，40优选结合极化分集和角度(即，模式)分集。图1所示三个模块20，30，40为三端口模块20、单端口模块30以及二端口模块40。三端口模块20是包括三端口P1，P2，P3的模块，二端口模块40是包括两个端口P5，P6的模块，单端口模块30是包括一个端口P4的模块。

优选地，三端口模块20设置在单端口模块30和二端口模块40之间。如图1所示，三端口模块20堆叠在单端口模块30上，二端口模块40堆叠在三端口模块20上。天线10的总高度h由各所述三个堆叠模块20，30，40的厚度和模块20，30，40之间的距离来限定。天线10的宽度w和深度d由模块20，30，40的宽度和深度，特别是最大模块的宽度和深度来限定。优选地，天线10设计成使得其所占用的3D空间的特征尺寸是所使用的无线电波波长的一半。由此，高度h、深度d和宽度w分别优选为大约所使用的无线电波波长一半的尺寸。

如图1和图2所示，三端口模块20包括电性辐射元件21和两个磁性辐射元件22。如图1和图3所示，单端口模块30包括磁性辐射元件31。如图1和图4所示，双端口模块40包括两个电性辐射元件41，42。电性辐射元件是，例如，单极子或偶极子。磁性辐射元件是，例如，环孔(loop)、开口(aperture)、孔、槽或缝隙。在图中，箭头表示每个模块20，30，40中场分量的方向，实线箭头表示电场分量E，虚线箭头表示磁场分量H。

图2示出了图1所示天线10的三端口模块20。三端口模块20具有第一基板26作为基础。所述基板可以是，例如，印刷电路板(PCB)。此外，三端口模块20具有三个端口P1，P2，P3，其分别与模块20的三个辐射元件21，22，23连接。具体地，第一端口P1连接第一磁性辐射元件23，第二端口P2连接第二磁性辐射元件22，第三端口P3连接电性辐射元件21。

优选地，图2所示两个磁性辐射元件22，23中的每个包括制造在第一基板26中的槽24，25。优选地，所述两个槽24，25在第一基板26中彼此正交延伸。优选地，每个槽24，25与端口P2，P1的一端分别连接。优选地，每个槽的另一端包括弯曲。所述弯曲优选为大约90°。由槽24，25感应或接收的无线电波的磁场分量H定向为正交于槽24，25的延伸方向。

此外，电性辐射元件21优选地包括单极子27，其从第一基板26突出。在第一基板26上，单极子27优选地与端口P3连接。单极子27的另一端是自由的。单极子27的延伸方向和基板的平面之间的角度优选为大约90°。这意味着，单极子27优选地从第一基板26正交突出。因此，单极子27的延伸方向优选地正交于槽24，25的延伸方向。由单极子27感应或接收的无线电波的电场分量E定向为平行于单极子27的延伸方向。

图3示出了图1所示天线10的单端口模块30。单端口模块30具有第二基板33作为基础。第二基板33可以是，例如，PCB。单端口模块30具有一个端口P4，其与模块30的磁性辐射元件31连接。

图3所示磁性辐射元件31包括形成在第二基板33中的导电回路32。优选地，导电回路32与端口P4水平连接。如图2所示，端口P4可以在第二基板33的平面内沿其中心方向从导电回路32突出。优选地，导电回路沿其圆周被划分成多个段34，这些段通过连接元件35彼此连接。由回路32感应或接收的无线电波的磁场分量H定向为正交于第二基板33的平面。在使用天线10时，导电回路32优选这样操作，即，保持导电回路32周围的幅度和相位电流均匀。

图4示出了图1所示天线10的二端口模块40。二端口模块40具有第三基板45作为基础。第三基板45可以是，例如，PCB。二端口模块40具有两个端口P5和P6，其分别与模块40的两个电性辐射元件41，42连接。具体地，第一端口P5与第一电性辐射元件41连接，第二端口P6与第二电性辐射元件42连接。

两个电性辐射元件41，42优选地各自包括设置在第三基板45平面内的偶极子43，44。在第三基板45上，偶极子43，44优选地与端口P5，P6分别连接。两个偶极子41，42的延伸方向之间的角度优选为大约90°。这意味着，两个偶极子43，44优选地彼此正交。由偶极子43，44感应或接收的无线电波的电场分量E定向为平行于偶极子43，44的延伸方向，即，平行于第三基板45的平面。

图2、图3和图4所示模块20，30，40中的每个首先设计成与其它模块分离开来。然后，将模块20，30，40组装在一起，以便形成天线10的堆叠。如图5所示，在第一步骤中，三端口模块20和单端口模块40堆叠起来，具体地，三端口模块20在单端口模块40上。作为中间产物，形成四端口天线50。四端口天线50可以用作用以采用无线电波的四个极化状态(三个磁性和一个电性状态)的独立产品，因而已经显示出改进的通信特征。

在第二步骤中，二端口模块30堆叠在三端口模块20上，即，在四端口天线50上。从而形成本发明的六端口天线10。优选地，模块20，30，40堆叠成使得各基板26，33，45定向为平行于彼此。本发明的六端口天线10能够采用无线电波的六个极化状态(三个磁性和三个电性状态)。

模块20，30，40被组装在一起后，对模块20，30，40进行调谐，以便使其谐振处于给定频段，即，所使用的无线电波的频段。本发明所述天线10的调谐设计针对兴趣频段中的每个端口P1-P6具有指定的VSWR＜2。对于MIMO应用，所有端口P1-P6之间的低相关性也是非常重要的。对于本发明所述天线10的设计，针对频段为5-6GHz的多数检查频率的所有端口对(for all port pairs at most examined frequencies in the 5-6GHz frequencyband)，实现了端口相关性≤-17dB。

图6示出了本发明所述天线10的端口P1-P6的低端口相关性。横轴上为无线电波的频率，纵轴上示出了相关性。示出了不同的曲线，其标记有，例如，“Corr 12”，表示端口P1和端口P2之间的相关性。同样地，“Corr 35，36”分别表示端口P3和端口P5之间、端口P3和端口P6之间的相关性，等等。由此可以看出，对于频率范围在5.15-5.83GHz频段的频率的所有端口对，端口相关性——特别是所提出的六端口天线10的包络相关系数——保持在0.13(-17dB)以下。具体地，天线10的端口P1-P6被去耦合和去相关到这一程度，即，天线10适于六个统计上独立并行的MIMO信道。

本发明所述天线10的辐射特征进一步示出了所有端口P1-P6中的高辐射效率和可比较峰值增益值。具体地，本发明所述天线10针对端口P1-P6还具有以下峰值增益值：P1为7.1dBi；P2为7.1dBi；P3为5.0dBi；P4为5.1dBi；P5为6.5dBi；P6为6.5dBi。相应的辐射效率在90-100％范围内。

因此，在丰富散射环境中，每个端口的平均接收功率是可以比较的，因此对于每个极化支路也是可以比较的。因此，相比于SISO单极化信道，本发明所述天线10的丰富散射MIMO通信信道的容量增加6倍。基于极化分集，天线10的特征非常适合用于其在MIMO系统中的应用。

总之，本发明所述天线10可用于增加丰富散射多径传播条件(尤其是室内的)较为复杂的MIMO信道中的通信容量。与已知现有技术相比，采用所提出的设计减小天线10的尺寸。此外，与现有技术相比，天线10的容量更大。也就是说，对本发明所述天线10所提出的设计提供了六个极化分集支路的最大数目，并同时保持尺寸非常紧凑且结构相当简单。

结合各示例性实施例和各实现方式，对本发明进行说明。然而，本领域技术人员通过对附图、公开内容以及独立权利要求进行研究，在实践所要求保护的发明时，可以理解并实现其它变型。在权利要求以及说明书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以实现权利要求中记载的多个实体或物品的功能。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中这一事实并不表示这些措施的组合不能用在有利的实现方式中。

Claims (15)

1.一种用于使用无线电波的多个极化状态的天线(10)，包括：

三端口(P1，P2，P3)模块(20)，包括电性辐射元件(21)和两个磁性辐射元件(22)；

单端口(P4)模块(30)，包括磁性辐射元件(31)；和

二端口(P5，P6)模块(40)，包括两个电性辐射元件(41，42)；

其中，所述三个模块(20，30，40)堆叠起来。

2.根据权利要求1所述的天线(10)，其中

所述三端口(P1，P2，P3)模块(20)的每个磁性辐射元件(22，23)包括设置在第一基板(26)中的槽(24，25)，并且

所述三端口(P1，P2，P3)模块(20)的电性辐射元件(21)包括从所述第一基板(26)突出的单极子(27)。

3.根据权利要求2所述的天线(10)，其中所述槽(24，35)彼此正交。

4.根据权利要求2或3所述的天线(10)，其中所述单极子(27)从所述第一基板(26)正交突出。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线(10)，其中，

所述单端口(P4)模块(30)的磁性辐射元件(31)包括设置在第二基板(33)上的导电回路(32)。

6.根据权利要求5所述的天线(10)，其中，

所述天线(10)用于保持所述导电回路(32)周围均匀的幅度和相位电流。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线(10)，其中，

所述二端口(P5，P6)模块(40)的每个电性辐射元件(41，42)包括设置在第三基板(45)中的偶极子(43，44)。

8.根据权利要求7所述的天线(10)，其中，所述偶极子(43，44)彼此正交。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线(10)，其中，

所述三端口(P1，P2，P3)模块(20)堆叠在所述单端口(P4)模块(30)上，所述二端口(P5，P6)模块(40)堆叠在所述三端口(P1，P2，P3)模块(20)上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的天线(10)，其中，

所述三个模块(20，30，40)的基板(26，33，45)优选为印刷电路板PCB，并且定向为彼此平行。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的天线(10)，其中，

所述堆叠天线(10)的宽度(w)、深度(d)和高度(h)分别是无线电波波长的大约一半。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的天线(10)，其适于多输入多输出MIMO通信。

13.根据权利要求12所述的天线(10)，其中，所述天线(10)的六个端口(P1，P2，P3，P4，P5，P6)被去耦合和去相关，因而适于六个统计上独立并行的MIMO信道。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的天线(10)，其中，对于频率约为5～6GHz的无线电波，所述天线(10)的所有成对的六个端口(P1，P2，P3，P4，P5，P6)的端口相关性为-15dB或更小，优选-17dB或更小。

15.一种用于制造根据权利要求1至14中任一项所述的天线的方法，所述方法包括以下步骤：

相互独立地形成三个模块(20，30，40)；

堆叠所述三个模块(20，30，40)以组装天线(10)；

将每个模块(20，30，40)的谐振调谐成无线电波的频段。