CN107275799B - 用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列，所述寄生天线阵列包括：若干多频谐振天线单元的辐射天线阵列；若干多频谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列；连接在所述多频谐振寄生天线单元上的负载阻抗。本发明提供了在多频多天线系统中改善天线性能的办法，使得空间受限的多频多天线系统的耦合降低，又保持原有的天线阵性能。

Description

用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线设备中改善多天线系统中任意多个多频天线各个工作频段之间隔离度的方法。
背景技术
随着无线接入技术的飞速发展，无线通信网络环境已经成为不同种类异构网络的混合。多频多模移动终端的发开和利用引起了全球对无线通信领域的兴趣，因此，多模多频天线是当前和未来的终端设备特别是MIMO(多输入多输出)系统的终端设备的先决条件，MIMO技术利用在收发系统之间的多个天线之间存在的多个空间信道上，传输多流相互正交的数据，能够提高数据吞吐率，以及提高通信的稳定性，但是由于移动终端设备(如移动手机)的体积尺寸有限，MIMO系统中天线元件之间的强耦合是不可避免的，从而影响天线的效率并影响相关性。因此，在MIMO系统的天线元件之间应用去耦技术至关重要。
在多天线系统物理尺寸受限的情况下，多个多频天线单元之间的互相耦合、干扰，必然会造成天线性能的下降，例如信道的相关性变强、信噪比变差，天线效率下降，造成实际的信道容量和吞吐率降低。另一方面，较小的间距会引入谐振单元之间不必要的耦合，从而改变其方向图。因此如何在较小体积内实现有效的多频多天线解耦，降低其相关性，获得分集增益以及提高信道容量已成为学术界和工业界共同关注的热点问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：
多频多天线系统中各天线单元之间的互相耦合、干扰，造成的多天线系统、天线阵列性能的下降。具体表现在：
(1)由于天线单元之间互相的干扰，造成信噪比变差，进而直接影响数据吞吐率；
(2)使得能够有效辐射的能量减少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下。
如何在较小体积内实现有效的多频多天线解耦，降低其相关性，获得分集增益以及提高信道容量已成为学术界和工业界共同关注的热点问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供利用带载寄生天线改善多频多天线系统工作频段之间隔离度的方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列，包括：
设置在多频天线阵中的若干个谐振在多个频率的带载寄生天线单元；
所述带载寄生天线单元是由多频天线本体和端接负载阻抗组成；
进一步，所述多频寄生天线单元可以采用与辐射天线单元一样的形式，也可以采用与辐射天线单元不同的形式，只需要满足多频寄生天线单元的谐振频段与辐射天线单元的谐振频段一致；
进一步，所述负载阻抗网络的终端可以是开路的，也可以是短路的；
负载阻抗的形式可以有：多节阶梯阻抗(大于等于两节)；单一枝节传输线；双枝节传输线；T型传输线网络；电感L；电容C；电感L和电容C组成的串联谐振网络；电感L和电容C组成的并联谐振网络等；
进一步，负载阻抗是由可调谐的元件组成，使得负载阻抗在不同的工作状态时候的阻抗数值可以被动态调节；
对所述多频谐振寄生天线单元的谐振频率/频段，位置，数目，以及连接在寄生天线上的负载阻抗的频率特性进行调整，使得含有所述寄生谐振天线阵列的辐射天线阵列的各单元之间的隔离度，在多个工作频段提高至20dB以上。
进一步，设置所述原多频天线阵辐射天线单元的匹配电路，使得加入带载寄生天线之后，所述原多频天线阵辐射天线单元的匹配状态不发生恶化(小于10dB)。
本发明还提供利用上述的用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列制备的智能移动终端。
本发明还提供利用上述的用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列制备的无线路由器。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明提供了一种用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列，在多频多天线系统中改善天线性能，使得空间受限的多频多天线系统的耦合降低至-20dB以下，匹配不发生恶化，又保持原有的天线阵的增益，效率等辐射特性。
附图说明
图1为本发明中一种含有带载寄生天线的两单元双频天线组成的多输入多输出阵列(MIMO)的天线系统示意。
图2为本发明中一种含有带载寄生天线的三单元双频天线组成的MIMO天线系统示意。
图3为本发明中一种含有带载寄生天线的四单元双频天线组成的MIMO天线系统示意。
图4为本发明中一种含有带载寄生天线的两单元三频天线组成的MIMO天线系统示意。
图5为本发明中另一种含有带多载寄生天线的两单元三频天线组成的MIMO天线系统示意。
图6为本发明中另一种含有带多载寄生天线的两单元宽带天线组成的MIMO天线系统示意。
图7为本发明中多频寄生天线所加载负载阻抗的形式。
图8为本发明实例中一种不含多频寄生天线的两单元双频天线的MIMO天线系统。
图9为本发明实例中一种含带载寄生天线的两单元双频天线的MIMO天线系统。
图10为本发明实例中一种不含带载寄生天线的两单元双频天线的电流分布。
图11为本发明实例中一种含带载寄生天线的两单元双频天线的电流分布。
图12为本发明实例中一种含带载寄生天线的两单元双频天线的磁场分布。
图13为本发明实例提出的不含有带载寄生天线的双频天线阵列典型的散射参数。
图14为本发明实例提出的含有带载寄生天线的双频天线阵列典型的散射参数。
图15为本发明实例一个实施实例中的不含有带载寄生天线的两单元双频天线体统的测量散射参数响应。
图16为本发明实例一个实施实例中的含有带载寄生天线的两单元双频天线体统的测量散射参数响应。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合附图，对本发明的优选实例进行详细的描述。
图1是一个含有带载寄生天线的两单元双频天线组成的MIMO系统。101为双频辐射天线，在两个双频天线单元之间设置加载负载阻抗网络103的双频寄生天线102，对双频谐振寄生天线单元的谐振频率/频段，位置以及连接在寄生天线上的负载阻抗的位置和频率特性进行调整，使得含有所述寄生谐振天线阵列的辐射天线阵列的各单元之间的耦合系数为0；即馈电端口104和105之间的隔离度，S21小于-20dB。104和105为每个双频辐射天线单元的馈电端口。
本发明提出的性能改善方法不限于两单元双频天线阵列，同样适用于图2，图3示出的三单元双频天线阵列和四单元双频天线阵列，以及图4，图5示出的两单元三频天线阵列，图6示出的两单元宽带天线阵列，其中，图2是三单元线阵，图3是四单元方阵，图4中寄生天线加载了一个负载，图5，图6中寄生天线加载了多个负载。除了单元数目与排布方式不同外，其余的设置方式与图2的两单元阵列完全相同。
根据原有多频多天线系统中各天线之间的耦合状态，调整所述多频谐振寄生天线单元的谐振频率/频段，位置，数目，以及连接在寄生天线上的负载阻抗的位置，个数以及频率特性，可以显著降低两个以上的多频多天线系统之间任意天线之间各个工作频段之间的耦合。
优选的，寄生天线端接的负载阻抗网络，可以有如图7所示的多种实现形式：701和702多节阶梯阻抗(大于等于两节)；703单一枝节传输线；704双枝节传输线；705电容C；706电感L；707电感L和电容C组成的串联谐振网络；708电感L和电容C组成的并联谐振网络。
一个两单元双频天线阵列实例如图8所示。在图8中，801为一个树状双频天线单元，其地板为804，地板和天线之间可以填充有介质层，803。802是天线的馈电端口。
图9为一个含有多频寄生天线的两单元多频天线阵列。在图9中，901为一个树状双频天线单元，902为设置在两多频天线单元之间的加载负载的多频寄生天线，905为地板，地板和天线之间可以填充有介质层，904。
图10和图11分别为激励不同端口时不含和含有带载寄生天线的两单元双频MIMO天线系统的电流分布，可以看出加入所述带载寄生天线后，当端口1被激励，端口2很明显的与被激励的端口隔离，当端口2被激励时结果与端口1被激励的情况相同。图12为含带载寄生天线的两单元双频MIMO天线系统的磁场分布，可以看出，激励不同端口时，磁场矢量基本是相互垂直的。
图13示出的是不含有带载寄生天线的双频天线阵列典型的散射参数，可以看到，虽然天线的反射系数S11,S22在两个所需频段内都小于-10dB，但两单元之间的耦合系数，在两个所需频段内都接近-10dB。采用带载寄生天线后，如图14所示，两天线之间的耦合系数在两个所需频段内都被降低到低于-30dB。
下面以一个两单元双频天线阵列作为具体例子来说明，如图8和图9所示的两单元双频天线阵列，工作在2.45GHz和5.8GHz，当不含带载寄生天线时，其测量得到的散射参数如图15，可以看到，在2.4GHz至2.5GHz频段和5.7GHz至5.9GHz频段中，反射系数：S11和S22均小于-10dB，而耦合系数S21却接近-8dB。加入带载寄生天线902之后，其测试的散射参数如图16所示，可以看到，含有带载寄生天线时，在所需频带内天线两单元之间耦合系数S21，已经在2.4GHz至2.5GHz频段和5.7GHz至5.9GHz频段被降低至小于-20dB。
更进一步，在加入带载寄生天线之后，可以进一步设置原天线阵之后的匹配网络，使得在耦合降低的同时，所述原多天线阵中各天线的匹配状态不受很大的影响。
本发明所公开的降低耦合的方法能够很好的应用在智能移动终端，无线路由器等产品和系统上。
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 (6)

1.一种用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列，其特征在于，所述寄生天线阵列包括：
若干多频谐振天线单元的辐射天线阵列；
若干多频谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列；
连接在所述多频谐振寄生天线单元上的负载阻抗；
对所述多频谐振寄生天线单元的谐振频率/频段、位置、数目以及连接在寄生天线上的负载阻抗的频率特性进行调整，使得含有所述寄生天线阵列的辐射天线阵列的各单元之间的隔离度，在多个工作频段提高至20dB以上；寄生多频谐振寄生天线单元的多个谐振频率与辐射天线的各工作频段一致；位置放置在需要相互隔离的辐射天线之间；阻抗的频率特性需要通过提取辐射天线阵列的导纳参数之后通过计算求出；
所述寄生天线单元采用与辐射天线单元一样的形式，也可以采用与辐射天线单元不同的形式；
所述负载阻抗的形式采用大于等于两节的多节阶梯阻抗、单一枝节传输线、双枝节传输线、T型传输线网络、电感L、电容C、电感L和电容C组成的串联谐振网络、电感L和电容C组成的并联谐振网络；
所述负载阻抗的终端可以是开路的，也可以是短路的。
2.如权利要求1所述的连接在寄生天线单元上的负载阻抗网络，其特征在于，
所述负载阻抗是由可调谐的元件组成，使得负载阻抗在不同的工作状态时候的阻抗数值可以被动态调节。
3.如权利要求1所述的用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列，其特征在于，
所述辐射天线阵列采用线阵、方阵或圆阵。
4.如权利要求1所述的用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列，其特征在于，设置连接到原多个多频天线系统 的匹配网络，使得加入端接负载的多频谐振寄生天线之后，原多个多频天线系统的匹配状态不发生恶化。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列制备的智能移动终端。
6.一种利用权利要求1-4任一项所述的用于改善多个多频天线工作频段隔离度的寄生天线阵列制备的无线路由器。
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