CN108417994A

CN108417994A - 全向球体mimo天线阵列

Info

Publication number: CN108417994A
Application number: CN201810028132.3A
Authority: CN
Inventors: 徐煜思; 杨国敏
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2018-08-17

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种全向球体MIMO天线阵列。本发明天线阵列包括空心球体支撑体、32个双线极化天线单元；32个双线极化天线单元以Z轴为中心，在球面上从上向下依次排列成8行；各行的天线单元数量依次为1、5、5、5、5、5、5、1；其中，最上面和最下面的天线单元在球的中心轴处，其余6行中，每行5个天线单元，沿圆周等间距排布；一个各天线单元到球体中心的距离相等，来实现全方位输入输出通信；天线单元的正交极化双端口采用探针馈电，连接线从球体内部通过球体底端圆形孔伸出进行外部连接。本发明MIMO天线阵列可实现各个方向的高增益输入输出通信，具有高全向性、高增益、高隔离度特性。

Description

全向球体MIMO天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体地涉及一种全方位球体MIMO天线阵列。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，相关应用不断丰富，移动数据业务大幅增长，大规模天线技术能够显著提高网络覆盖和容量性能，因此成为重要的研究领域，而3D MIMO（3-Dimension Multiple Input Multiple Output,三维多输入多输出）是大规模MIMO（多输入多输出）技术的方向之一，增加了垂直方向的自由度，能够真正实现全方位的通信。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型全方位球形MIMO天线阵列，天线在以3.5GHz为中心的80MHz带宽波段内可实现全方位的输入输出同时通信，且具有高隔离度。

本发明提供的新型全向球形MIMO天线阵列，其结构如图1、图2所示，包括空心球体支撑体、32个双线极化天线单元。

本发明中，32个双线极化天线单元以Z轴为中心，在球面上从上向下依次排列成8行，相邻两行间的球面距离相等或基本相等（贴片排列关于xoy平面对称；另外，之所以是8行，而不是更多，是为了保证贴片单元之间有足够的间隔）；各行的天线单元数量依次为1、5、5、5、5、5、5、1，类似足球表面的排布结构；其中，最上面和最下面的天线单元在球的中心轴（Z轴）处，其余6行中，每行5个天线单元，沿圆周等间距排布；一个各天线单元到球体中心的距离相等，来实现全方位输入输出通信。天线单元的正交极化双端口采用探针馈电，连接线从球体内部通过球体底端圆形孔伸出进行外部连接。

本发明实施例中，所述的双线极化天线单元可以采用简单的方形贴片天线，其介质基板采用低介电常数F4B介质基板，金属贴片为正方形铜片。在距离正方形贴片中心相等的位置进行探针馈电，使得天线工作在3.5 GHz，并且两个端口的隔离度小于-20dB。

所述的32个双线极化天线单元天线在球面上以1、5、5、5、5、5、5、1的数量从上向下依次成8行排布时，其贴片中心位置的theta角从上向下依次是0°、37°、60°、80°、100°、120°、143°、180°。

所述的全向球体MIMO天线阵列， 32个贴片单元的放置方向一致，馈电点都处于贴片的右下方放置。

文献检索的结果表明，尚未有3D球体分布MIMO天线的提出。本发明利用简单的方形贴片天线实现+45°和-45°双线极化特性，将32片相同的贴片单元按照一定规律分布在球体表面，实现全方位的多输入多输出通信，具有高隔离度。仿真和测量结果表明：天线单元在3.42 GHz-3.58 GHz的频段内| S₁₁| <-10 dB、| S₂₂| <-10 dB，相对阻抗带宽为4.6%，在频带范围内端口隔离度| S₁₂| <-22dB，天线单元的最大增益为6.7，天线效率是74%；当天线单元分布在阵列中时，仿真结果表明，在3.43 GHz-3.58 GHz的频段范围内| S₁₁| <-10 dB，| S₂₂| <-10 dB，| S₁₂| <-22 dB，与只有单个天线单元无异，说明天线单元之间的影响很小。天线阵列整体为直径为306mm的球体，具有单元结构简单、可拆卸的优点。

附图说明

图1为本发明全向球体MIMO微带天线阵列的方形单元贴片天线示意图。

图2为本发明全向球体MIMO微带天线阵列的支撑空心球体侧面结构示意图。

图3为实施例中全向球体MIMO微带天线阵列的支撑空心球体侧面结构示意图。

图4为本发明全向球体MIMO微带天线阵列的贴片单元S参数仿真和测试结果。

图5为本发明全向球体MIMO微带天线阵列的贴片单元仿真和测试辐射方向图。

图中标号：1为支撑空心球体，2为球体上的32个凸起方形孔，3为球体上的5个圆形孔，4为双线极化天线单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-2所示，本发明提供了一种新型全向球体MIMO微带天线阵列，中心频率3.5GHz，球体MIMO天线的半径是153mm，本实施例包括：支撑空心球体1、球体上的32个凸起方形孔2、球体上的5个圆形孔3、32个双线极化贴片天线单元4。

如图1所示，本实施例所述的双线极化贴片单元采用简单的方形贴片天线，介质基板采用低介电常数F4B介质基板，金属贴片为正方形铜片。在距离正方形贴片中心相等的位置进行探针馈电，使得天线工作在3.5 GHz，并且两个端口的隔离度小于-20dB。

如图2所示，本实施例所述的32个方形贴片天线的排列方式为以过球心的Z轴为中心，在球面上以1、5、5、5、5、5、5、1的数量分布从上向下依次排列成8行，贴片中心位置的theta角从上向下依次是0°、37°、60°、80°、100°、120°、143°、180°，每个单元到球心的距离都等于150mm，且馈电点都处于右下方。本实施例所述的支撑空心球体的内径为135mm，为了使其具有一定的强度，设置厚度为10mm。为了让方形贴片可以稳定固定在球体表面，在相应的位置处设计32个凸起的方形孔，用来固定32个贴片天线。为了让天线单元的连接线从球体内引出来，在球体底端第二排方形孔的间隙处设计了5个圆形孔，引出连接线，参见图3所示。每个贴片单元有两个接头，在贴片天线单元背面连接两根高频连接线，一共64根连接线，在球体内部的这64根连接线分布从最近的5个圆形孔伸出到外部进行连接。

如图4所示，本实施例所述的频率特性包括单个天线单元的双端口回波损耗和隔离度。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表回波损耗变量和隔离度变量。仿真结果表明本发明的全向球体MIMO微带天线阵列双线极化单元在3.42 GHz-3.58 GHz频率范围内，|S11|<-10 dB，隔离度大于22 dB。

如图5所示，本实施例所述的全向球体MIMO微带天线阵列双线极化单元在中心频点3.5 GHz的天线辐射方向图，由图可见天线单元有较好的定向性，最大增益为6.7。

本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为3.5 GHz波段全向球体MIMO微带天线，改变尺寸可适用于其他波段，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种全向球体MIMO天线阵列，其特征在于，包括空心球体支撑体、32个双线极化天线单元；所述32个双线极化天线单元以Z轴为中心，在球面上从上向下依次排列成8行，相邻两行间的球面距离相等或基本相等；各行的天线单元数量依次为1、5、5、5、5、5、5、1；其中，最上面和最下面的天线单元在球的中心轴处，其余6行中，每行5个天线单元，沿圆周等间距排布；一个各天线单元到球体中心的距离相等，来实现全方位输入输出通信；

天线单元的正交极化双端口采用探针馈电，连接线从球体内部通过球体底端圆形孔伸出进行外部连接。

2.根据权利要求1所述的全向球体MIMO天线阵列，其特征在于，所述的双线极化天线单元采用方形贴片天线，其介质基板采用低介电常数F4B介质基板，金属贴片为正方形铜片；在距离正方形贴片中心相等的位置进行探针馈电，使得天线工作在3.5 GHz，并且两个端口隔离度小于-20dB。

3.根据权利要求2所述的全向球体MIMO天线阵列，其特征在于，所述的32个双线极化天线单元天线在球面上以1、5、5、5、5、5、5、1的数量从上向下依次成8行排布时，其贴片中心位置的theta角从上向下依次是0°、37°、60°、80°、100°、120°、143°、180°。

4.根据权利要求1或3所述的全向球体MIMO天线阵列，其特征在于，32个贴片单元的放置方向一致，馈电点都处于贴片的右下方。