CN109411903A

CN109411903A - 室内mimo通信系统的高性能宽带双极化全向天线

Info

Publication number: CN109411903A
Application number: CN201710714138.1A
Authority: CN
Inventors: 高峰; 和凯; 朱文涛; 王丽芳; 吴磊; 刘凯凯; 陈洁
Original assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Group Design Institute Co Ltd
Current assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Group Design Institute Co Ltd
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2019-03-01

Abstract

本发明实施例提供了一种室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线，该天线中水平极化天线、垂直极化天线以及底座通过同轴线缆连接为一个整体，这样的一体化设计方法有效降低了水平极化天线的馈线屏蔽成电流对天线的不圆度和交叉极化产生的影响，使垂直极化天线的不圆度和交叉极化比能够满足实际需求，使整个天线的各项性能指标能够有效提高。此外，垂直极化天线的单极子上还加载有空心圆盘，从而能够降低天线的高度，有效扩展天线的工作带宽，进而能够更好的适应于复杂的通信环境中。

Description

室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线。

背景技术

伴随着通信网络的发展，用户对数据业务的需求迅速增长。由于高清视频、高速上网、智能家居等宽带高速数据业务绝大部分发生在室内环境，导致了室内分布系统承载了70％以上的移动通信数据业务，提升室内分布系统的覆盖质量是应对业务增长的当务之急。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)技术能够充分利用无线信道的多径传播特点，大幅升信道容量、提高频谱利用率、消除极化失配、增加分集增益，是解决室内环境移动通信覆盖难题的有效途径。

同时，在第二代(2G)、第三代(3G)、第四代(4G)和无线局域网(WLAN)等多系统共用条件下，系统间的干扰，别是互调干扰成为制约系统性能的一个重要问题；MIMO天线的应用是4G网络(即长期演进LTE)的一个重要特性，室分双极化全向天线是实现该性能的一个重要选择，双极化室分全向天线的隔离度是影响MIMO性能的一个重要指标。因此，如何提升双极化室分天线的互调指标和隔离度指标是室分天线研究的重点。

然而，在发明创造的过程中发明人发现，现有的研究中分别存在以下技术缺点：

1)部分学者提供了一种室内全向天线中，天线的工作频段为800-2500MHz，难以实现对低频段通信系统的覆盖，如LTE的700MHz频段；此外，该天线的极化隔离度指标为大于30dB，有待于进一步提升；

2)部分学者提供了一种双极化全向吸顶天线，该天线难以实现对低频段通信系统的覆盖，如LTE的700MHz频段，其工作带宽有待于进一步拓宽；此外，该天线的极化隔离度指标为大于28dB，有待于进一步提升。

3)部分学者提供了一种双极化全向吸顶天线，该天线难以实现对低频段通信系统的覆盖，如LTE的700MHz频段；此外，该天线的三阶互调指标有待于进一步提升。

4)还有部分学者提供了一种室内MIMO天线、双室内吸顶宽带全向MIMO天线，这些发明设计从不同技术点切入，一定程度是改善了室分双极化天线的性能指标，但这些天线同样设计难以实现对低频段通信系统的覆盖，如LTE的700MHz频段；此外，其三阶互调指标有待于进一步提升，其极化隔离度指标有待于进一步提升；

总的来说，目前已经出现的双频段双极化LTE全向天线，它的低频段仍为传统意义的频率范围806-960MHz，相对带宽为17.4％，并不能兼容LTE的700MHz频段，此外已见的双极化全向天线各项性能上仍需进一步提高。

发明内容

本发明实施例提供一种用于室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线，用于克服现有技术中天线频带范围窄，且各项性能指标很难满足现有通信系统要求的缺陷。

本发明实施例提供一种室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线方法，包括：水平极化天线、垂直极化天线、同轴线缆以及底座；

所述同轴线缆垂直设置在所述底座上；

所述同轴线缆的顶端连接所述水平极化天线；

所述垂直极化天线位于所述水平极化天线以及底座之间；

所述垂直极化天线包括空心圆盘和单极子单元，所述空心圆盘通过所述单极子单元支撑在所述底座的上表面上，所述同轴线缆穿过所述空心圆盘的中心孔与所述单极子单元连接。

可选地，所述单极子单元包括至少四个单极子金属片，至少四个所述单极子金属片的一端共连，且共连部分与所述同轴线缆的内导体相连；

至少四个所述单极子金属片在所述同轴线缆的周向方向上均匀分布。

可选地，至少四个所述单极子金属片在所述空心圆盘的空心位置的下方形成有凹陷部。

可选地，所述底座包括：底盘、连接件以及若干个弧形金属片；

其中，所述若干个弧形金属片设置在所述底盘的上表面上，且环绕所述垂直极化天线的至少四个单极子金属片；

所述连接件用于将所述单极子金属片以及所述同轴线缆固定在所述底盘上，所述同轴线缆的外导体与所述底盘相连。

可选地，所述若干个弧形金属片的半径相同。

可选地，所述若干个弧形金属片相对于所述同轴线缆以轴对称的形式均匀分布在底盘的上表面上。

可选地，所述水平极化天线依次包括金属层、介质板以及印刷偶极子层；

所述金属层包括设置在介质板上表面中央的第一中心部，还包括一端与所述第一中心部相连的至少四个金属条，至少四个所述金属条在所述同轴线缆的周向方向上均匀分布；

所述印刷偶极子层包括设置在介质板下表面中央的第二中心部，还包括印刷在介质板下表面上的至少四个印刷偶极子图案；每个印刷偶极子图案与所述第二中心部相连，且在远离第二中心部的方向上还包括左臂图案和右臂图案；

所述金属层上每个金属条远离第一中心部的一端以短路过孔的形式与所述印刷偶极子层上的一个印刷偶极子图案相连。

可选地，所述第一中心部与所述同轴线缆的内导体相连，所述第二中心部与所述同轴线缆的外导体相连。

可选地，所述双极化全向天线还包括绝缘件，所述绝缘件设置在各个部件连接处中的至少一处。

可选地，所述绝缘件包括：非金属垫片、绝缘漆层或塑料膜。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线结构示意图；

图2是本发明实施例提供的水平极化天线切面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的水平极化天线俯视图；

图4是本发明实施例提供的水平极化天线中金属条与印刷偶极子图案结构示意图；

图5是本发明实施例提供的垂直极化天线与底座结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线，如图1所示，包括：水平极化天线1、垂直极化天线2、同轴线缆3以及底座4；

所述同轴线缆3垂直设置在所述底座4上；

所述同轴线缆3的顶端连接所述水平极化天线1；

所述垂直极化天线2位于所述水平极化天线1以及底座4之间；

所述垂直极化天线2包括空心圆盘21和单极子单元22，所述空心圆盘21通过所述单极子单元22支撑在所述底座4的上表面上，所述同轴线缆3穿过所述空心圆盘21的中心孔与所述单极子单元22连接。

为便于理解，下面结合附图对本发明实施例提供的MIMO通信系统双极化全向天线的各个部件进行详细说明。

(一)水平极化天线

图2示出了水平极化天线1的切面示意图，参见图2，水平极化天线1依次包括金属层11、介质板12以及印刷偶极子层13。

参见图3，其中，金属层11包括设置在介质板12上表面中央的第一中心部111，还包括一端与第一中心部111相连的至少四个金属条112(图3中以四个金属条为例)，至少四个金属条112在同轴线缆3的周向方向上均匀分布，并以某种弯折的方式向远离第一中心部111的方向延伸。印刷偶极子层13包括设置在介质板12下表面中央的第二中心部131，还包括印刷在介质板下表面上的至少四个印刷偶极子图案132；每个印刷偶极子图案与第二中心部131相连。参见图4(为便于说明，图4中未画出了介质板12这一层的结构)，每个印刷偶极子图案在远离第二中心部131的方向上还包括左臂图案132a和右臂图案132b；

参见图3、图4，金属层11上每个金属条112远离第一中心部111的一端以短路过孔的形式(图3中的过孔113)与印刷偶极子层13上的一个印刷偶极子图案132相连。

此外，参见图3，金属层11上的第一中心部111以及金属条112与印刷偶极子层13上的第二中心部131均不相连。同轴线缆3贯穿第一中心部111以及第二中心部131。其中，同轴线缆3的外导体连接第二中心部131，其内导体穿过第二中心部131与第一中心部111连接。

在图3、图4示出的水平极化天线中，金属层11的第一中心部111以及连接第一中心部111的金属条112组成了一个一分四的微带功分器(可以理解的是，若包含N个金属条，则形成一个一份N的微带功分器)。金属条112通过过孔113与印刷偶极子图案132连接，形成馈电网络，这种馈电走线方式就实现了巴伦馈电形式，从而具有扩展带宽和改善隔离度的作用。此外，在本发明实施例提供的水平极化天线中，在金属层11与印刷偶极子层13之间还设置了介质板12，而现有的天线中一般采用的是金属导流环。金属导流环加工成本高，性能不稳定，不仅增加天线高度且在安装时还需要电镀连接，而本发明实施例提供的介质板具有加工工艺简单，方便装配，无需电镀等优点。同时，介质板将馈电网络的金属层以及印刷偶极子层隔开，使其耦合连接，一定程度上实现了降低无源交调的作用。

(二)垂直极化天线

图5示出了双极化天线中垂直极化天线2以及底座4的结构示意图。其中，单极子单元2包括至少四个单极子金属片22(图5仅示出了四个单极子金属片的情况)，单极子金属片22为外周缘规则或不规则多边形的平面或非平面金属结构。在图5中，四个单极子金属片22的一端共连，共连部分与同轴线缆3的内导体相连，且四个单极子金属片22在同轴线缆3的周向方向上均匀分布，各个单极子金属片22之间的夹角可以相等、或者接近，使得天线达到各个方向的辐射基本一样，满足全向天线的辐射不圆度要求。空心圆盘21通过四个单极子金属片22周向分布的单极子金属片22支撑在底座4的底盘41上。四个单极子金属片22在空心圆盘的空心位置的下方共同形成有凹陷部。

本发明实施例提供的垂直极化天线中，单极子没有采用圆锥结构，而是采用多个片状单极子金属片，形成全向辐射的方向图。另外，在本发明中设置单极子中心镂空部(也即空心位置下方形成的凹陷部)具有重要意义：水平极化天线的同轴线缆可沿着垂直极化天线单极子的中心镂空部直接下来，到下部与单极子某一辐射单元焊接在一起，然后沿着某一所述连接件和底盘进行焊接，最后和垂直极化天线的同轴线缆一起穿过底盘中部。这样的结构设计可将水平极化天线的同轴线缆和垂直极化天线的同轴线缆组成一个整体，这样的一体化设计方法有效地降低了水平极化天线的馈线屏蔽层的电流对天线的不圆度和交叉极化产生的影响，使垂直极化天线的不圆度达到小于3dB的要求，交叉极化比大于10dB。此外，在单极子金属片的顶部加载金属圆盘，能有效降低天线的高度，增加天线工作带宽，使其能兼容700MHZ的带宽，更好的适应于复杂多变的通信环境中。

(三)底座

参见图5，底座4可以包括底盘41、连接件42以及若干个弧形金属片43(图5仅示出了有四个弧形金属片的情况)。

其中，四个弧形金属片43设置在底盘41的上表面上，且环绕垂直极化天线的四个单极子金属片22。这里的四个弧形金属片43可以为半径相同的四个弧形金属片43，这四个弧形金属片43相对于同轴线缆以轴对称的形式均匀分布在底盘41的上表面上。

这里的连接件42用于将单极子金属片43以及同轴线缆4固定在底盘41上，同轴线缆3的外导体与底盘41相连。

本发明实施例提供的底座中，通过添加弧形金属片43，除了可以扩展带宽，还能改善垂直极化天线的不圆度，从而能够提高天线的性能。

(四)绝缘件

除了上述所述的结构以外，本发明实施例提供的双极化全向天线，还可以包括绝缘件，例如可以为非金属垫片、绝缘漆层或塑料膜等。绝缘件可以设置在各个部件连接处中的至少一处。例如，可设置于连接件与底盘的连接处，可设置于同轴线缆与底盘的连接处，可设置于单极子金属片与空心圆盘的连接处，还可设置于弧形金属片与底盘的连接处，本发明对此不作具体限定。

当然，这一绝缘件不是必须设置的，也即在本发明所述天线部件的连接方式中，“连接”可以是直接连接，也可以是耦合连接或其他连接方式。本发明所述各部件以耦合方式连接时(设置绝缘件的情况下)，耦合面积大小可根据天线的性能要求进行确定和调整，目的是为了使天线能够在要求频率下具有足够大的电容量(耦合电容)。

但在天线实际批量生产中，由于很难保证金属接触面为理想状态，因此难以将金属部件进行可靠的直接连接，从而可能导致无源交调的产生。基于上述原因，本发明实施例提供的天线通过添加绝缘件，使各金属部件的连接方式由直接连接改变为通过电容耦合方式连接，一方面可保证天线具有较高电性能和满足天线频带要求，一方面解决了无源交调问题，从而提高了天线性能。

综上所述，本发明实施例提供的双极化全向天线，能够有效提高室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线的关键性能指标，与现有的极化天线相比，能够扩展天线的工作频段，并提升已有双极化全向天线的互调、隔离度、方向图特性等指标，具体来说能够达到如下效果：

1)低频段工作带宽为698MHz-960MHz，兼容700MHz LTE频段；

2)高互调性能，三阶互调PIM≤-120dBm；

3)高隔离度，隔离度≥35dB；

4)天线在其工作频段内拥有良好的不圆度和交叉极化指标；

5)天线结构简单，易于加工，成本较低。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种室内MIMO通信系统的高性能宽带双极化全向天线，其特征在于，包括：水平极化天线、垂直极化天线、同轴线缆以及底座；

所述同轴线缆垂直设置在所述底座上；

所述同轴线缆的顶端连接所述水平极化天线；

所述垂直极化天线位于所述水平极化天线以及底座之间；

2.根据权利要求1所述的双极化全向天线，其特征在于，所述单极子单元包括至少四个单极子金属片，至少四个所述单极子金属片的一端共连，且共连部分与所述同轴线缆的内导体相连；

3.根据权利要求2所述的双极化全向天线，其特征在于，至少四个所述单极子金属片在所述空心圆盘的空心位置的下方形成有凹陷部。

4.根据权利要求2所述的双极化全向天线，其特征在于，所述底座包括：底盘、连接件以及若干个弧形金属片；

5.根据权利要求4所述的双极化全向天线，其特征在于，所述若干个弧形金属片的半径相同。

6.根据权利要求4所述的双极化全向天线，其特征在于，所述若干个弧形金属片相对于所述同轴线缆以轴对称的形式均匀分布在底盘的上表面上。

7.根据权利要求1所述的双极化全向天线，其特征在于，所述水平极化天线依次包括金属层、介质板以及印刷偶极子层；

8.根据权利要求7所述的双极化全向天线，其特征在于，所述第一中心部与所述同轴线缆的内导体相连，所述第二中心部与所述同轴线缆的外导体相连。

9.根据权利要求1-8任一所述的双极化全向天线，其特征在于，所述双极化全向天线还包括绝缘件，所述绝缘件设置在各个部件连接处中的至少一处。

10.根据权利要求9所述的双极化全向天线，其特征在于，所述绝缘件包括：非金属垫片、绝缘漆层或塑料膜。