CN109417232B - 具有耦合信号对消的低耦合全双工mimo天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全双工2x2多入多出(multiple‑input multiple‑output，MIMO)天线阵列。一种限定x‑y平面的天线反射器在所述反射器上提供了多个天线元件。所述天线元件的线性偏振元件针对每个发射和接收对排列在正交偏振中。所述元件针对半正交对在同一方向对齐。一对元件沿轴对齐以在第三元件处提供两个耦合的相位偏移信号。所述第三元件与第一元件的限定对称线的元件共线并平行于第二元件的元件的方向。所述天线阵列通过提供端口之间的耦合信号对消，改进了正交端口之间以及发射与接收端口之间的隔离。本技术还提高了视轴辐射模式增益，作为额外利益。

Description

具有耦合信号对消的低耦合全双工MIMO天线阵列
相关申请案交叉申请
本专利申请要求2016年6月24日递交的发明名称为“具有耦合信号对消的低耦合全双工MIMO天线阵列(A Low Coupling Full-Duplex MIMO Antenna Array with CoupledSignal Cancelling)”的第15/192,230号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的全部内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及一种天线阵列实施方式，尤其涉及一种2x2多入多出(Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO)天线阵列实施方式。
背景技术
全双工天线要求发射(Tx)与接收(Rx)端口之间高度隔离，因为数据发送和接收会同时以相同频率发生。全双工发送和接收导致正在传输的信号有可能覆盖正在接收的其它信号。在多入多出(Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO)天线阵列实施方式中，天线元件排列在有限接地平面上且在较低的剖面内(即，天线深度)，这对天线设计和元件定位及定向造成了空间限制。因此，需要能够在有限空间内实现Tx与Rx端口之间的高度隔离的设计和实施方式。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种全双工2x2多入多出(Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO)天线阵列，包括：天线反射器，其限定x-y平面；第一天线元件，其安装在所述天线反射器上，具有面向第一方向的第一线性偏振元件和面向第二方向的第二线性偏振元件，其中所述第二方向与所述第一方向正交；第二天线元件，其安装在所述天线反射器上，具有与所述第一方向共线的线性偏振元件；第三天线元件，其安装在所述天线反射器上，具有与所述第二方向共线的线性偏振元件；以及第四天线元件，其安装在所述天线反射器上，接近所述第一天线元件，具有平行于所述第一方向的第一线性偏振元件和平行于所述第二方向的第二线性偏振元件。
在所述天线阵列的又一实施例中，对从所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第一线性偏振元件生成的信号进行耦合，以在所述第二天线元件处对消。
在所述天线阵列的又一实施例中，对从所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第二线性偏振元件生成的信号进行耦合，以在所述第三天线元件处对消。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第二天线元件沿所述第一方向限定的从第一线性偏振元件方向延伸的对称线放置，所述第三天线元件沿所述第二方向限定的从第二线性偏振元件方向延伸的对称线放置。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第一天线元件和所述第四天线元件在x平面的x轴上对齐。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第一方向和所述第二方向相对于y轴分别为+45°和–45°。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第四天线元件沿所述x轴放置在所述第一天线元件下方，所述第二和第三天线元件相对于所述x轴放置在所述第一天线元件上方。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第二天线元件和所述第三天线元件沿y平面中的y轴对齐。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第二天线元件和所述第三天线元件分隔于所述y轴的两侧，其中所述y轴穿过所述第一天线元件和所述第四天线元件的中心。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第二天线元件和所述第三天线元件中的每一个的中心沿所述y轴以相对于所述第一天线元件和所述第四天线元件限定的所述x轴0.95λ的距离分隔，其中λ是所述天线阵列的频率。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第二天线元件和所述第三天线元件中的每一个的所述中心沿所述x轴以所述第一天线元件上方0.95λ的距离分隔。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述中心沿所述x轴以0.66λ的距离分隔。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第一线性偏振元件的信号在所述第二天线元件处为180°异相，所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第二线性偏振元件的信号在所述第三天线元件处为180°异相。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第一天线元件的所述第一线性偏振元件和所述第四天线元件的所述第一线性偏振元件耦合到第一端口；所述第一天线元件的所述第二线性偏振元件和所述第四天线元件的所述第二线性偏振元件耦合到第二端口；所述第二天线元件的第一线性偏振元件耦合到第三端口；所述第二天线元件的第二线性偏振元件耦合到第四端口。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第一端口耦合到发射器输入端A；所述第二端口耦合到发射器输入端B；所述第三端口耦合到接收器输出端A；所述第四端口耦合到接收器输出端B。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述第一端口耦合到接收器输出端A；所述第二端口耦合到接收器输出端B；所述第三端口耦合到发射器输入端A；所述第四端口耦合到发射器输入端B。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述天线元件是探针馈源贴片元件。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述天线元件是偶极子。
在所述天线阵列的又一实施例中，所述天线元件是缝隙耦合贴片。
附图说明
通过阅读以下结合附图所作的详细描述将容易了解本发明的更多特征和优势，在附图中：
图1所示为根据一实施例的全双工2×2MIMO天线阵列的示意图；
图2所示为全双工2×2MIMO天线阵列中的耦合信号对消的表示；
图3所示为全双工2×2MIMO天线阵列中的代表性天线元件方向；
图4所示为TxA与RxA元件之间的耦合的绘图；
图5所示为TxA信号在RxA处的耦合信号对消的绘图；
图6所示为正交端口隔离的绘图。
将注意到，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。
具体实施方式
出于说明目的，下文的详细描述包含各种示例性实施例、实施方式、示例和特定细节，以便透彻理解本发明。但是很显然，在某些情况下，所公开的实施例可以不通过这些特定细节或通过等效布置来实践。本发明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包括本文所说明并描述设计和实施方案，而是可在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。
下文仅通过示例方式结合图1至图6描述各实施例。全双工天线要求Tx与Rx天线端口之间高度隔离(>45dB的隔离，也就是1/(31,000)功率耦合)，特别是在1.9GHz至2.3GHz的频率范围内。为了实现这种隔离，天线阵列的设计要求谨慎考虑元件位置和方向。本发明提供了一种具有2个Tx端口和2个Rx端口的MIMO天线阵列。在有限接地平面(318mm x183mm或2.2*λx 1.3*λ，贴片总面积)上实现45dB的隔离要求相当高，需要一些特殊配置来实现这一点。在所描述的实施例中，Tx和Rx端口正交偏振(线性+/–45度)。相比于现有方案，所公开的全双工2x2 MIMO天线阵列提供了有限接地平面上的一种相对较低的互耦。所公开的天线阵列具有沿对称线排列的线性偏振元件，从而固有地实现一半端口内的低耦合。该天线阵列通过将信号耦合以在关联Rx端口处对消，提高了2个端口(例如Tx端口)的增益。
所描述的天线元件利用双线性正交偏振元件，例如探针馈源贴片、偶极子、缝隙耦合贴片元件或x-y平面(平面或反射器)中的可使用两个正交偏振的任何线性偏振元件。天线元件可利用如2015年12月21日递交的第62/270,417号临时专利申请中描述的结构，该临时专利申请的全部内容以引入的方式并入本文本中，以实现所有目的。对于探针馈源贴片配置，可针对天线阵列实现28mm(0.2*λ)贴片高度的低剖面。
参考图1，在俯视图中示出了2×2MIMO天线阵列100的示意图。将强耦合的发射端口物理排列以产生耦合信号，以便在关联接收端口处对消，从而在强耦合的端口内产生高度隔离。天线阵列100从第一发射元件提供对称线以限定接收元件的位置，该对称线关于中心轴对称。天线阵列100利用对称性来降低正交线性偏振的天线端口之间的耦合。所提供的配置还提高了视轴辐射模式增益，作为额外利益。天线阵列100包括限定x-y平面的天线反射器表面102，该x-y平面上至少安装有四个天线元件110、120、130、140。每个天线元件110、120、130、140耦合到一个或多个端口150、160、170、180以发送或接收关联信号。在所示实施例中，天线阵列100包括两个发射天线元件110、120和两个Rx天线元件130、140。天线元件110、120各自分别包括两个正交探针或元件152、162和元件154、164。元件152、162与反射器表面102的x轴以+/–45°正交，使用同一导电贴片110提供两个单独的共置天线。天线元件130和140以及关联元件172和182相对于元件152和162的方向所限定的对称线共线对齐。元件154和164的方向平行于元件152和162的方向，但是也可以通过相对于元件172和178的方向的近似对称线对齐。
元件152、154分别通过到天线元件110、120的相应带状线馈源153、155耦合到发射端口TxA 150。元件162、164分别通过到天线元件110、120的相应带状线馈源163、165耦合到发射端口TxB 160。天线元件130具有通过带状线馈源173耦合到RxA 170的元件172。天线元件130的元件172与天线元件110的元件152共线，并且平行于元件154。类似地，天线元件140具有通过带状线馈源183耦合到RxB 180的元件182。元件182与元件162共线，平行于元件164，并且与元件172正交。带状线馈源153、155、163、165、173、183可以通过安装在天线反射器表面102下面的印刷电路板(printed circuit board，PCB)(未示出)上的馈源网络在反射器表面102的下面提供。元件可通过耦合到天线元件结构的天线反射器的表面转变导通孔或开口。
如图2所示，TxA天线元件120的元件154生成的耦合信号204到达RxA天线元件130时，相对于TxA天线元件110的元件152生成的信号202相移180°。这两个信号202、204在RxA天线元件130处对消，从而改进了关联输入与输出端口之间的隔离度。类似地，TxB天线元件120的元件164生成的耦合信号214到达RxB天线元件130时，相对于TxB天线元件110的元件162生成的信号212相移180°。这两个信号212、214在RxB天线元件140处对消。
图3所示为2x2 MIMO天线阵列100中的代表性天线元件方向。该天线阵列100利用对称性来降低正交线性偏振的各发射与接收天线端口之间的耦合。同一偏振中端口之间的隔离，例如，TxA与RxA通过使用一对元件，如Tx天线元件110、120，之间的耦合信号对消来隔离，其中，这两个天线元件110、120的位置所产生的相位偏移导致了第三个天线元件130或天线元件140处的信号对消，取决于偏振。这两个Tx天线元件110、120还产生了波束图，该波束图提高了指向性(相比于单个元件)。或者，在需要时，还可以通过在物理上移动元件120的位置并以相位偏移激励天线元件对110、120，来修改阵列100产生的图案以具有高度倾斜。反射器表面102的x-y平面限定了中心垂直x轴302和水平y轴304。通过保持端口之间的正交偏振以及公共中心对称轴302在两个分开的Tx天线元件110、120之间对齐，各元件以及元件之间的跨极性耦合保持较低。需注意的是，Tx天线元件110、120的物理位置导致信号耦合在位于同一方向的天线元件130的Rx端口处对消。为同相(或者，如果需要下倾，则近同相)Tx天线元件110、120提供馈电而在视轴处生成波束最大值。所述配置支持两个Tx天线元件(例如TxA 150馈电天线元件110、120)的位置足够靠近以避免大栅瓣。
在天线阵列100的一个实施例中，两个Tx天线元件110、120的中心350、352共线且沿x轴302对齐，两个Rx天线元件130、140的中心354、356共线且沿Tx天线元件110、120之上的y轴对齐。Rx天线元件130、140位于x轴304上的第一天线元件110上方，并分隔于y轴304的两侧，且这些Rx天线元件与相应Tx天线元件的方向相同。在一个实施例中，Tx天线元件130、140中的每一个的中心354、356沿y轴304以0.95λ的距离330分隔，其中λ是天线阵列的频率，该距离在2.1GHz上等于135mm，与x轴302有关。各天线元件130、140的中心354、356沿x轴302以天线元件110上方0.95λ的距离322分隔。两个Tx天线元件110、120的中心350、352可以沿x轴302以0.66λ的距离320分隔，该距离在2.1GHz上等于95mm。天线元件130的中心354与天线元件110的关联元件152方向所限定的对称线310共线并沿对称线310对齐。天线元件120的元件方向154为中心352提供了平行轴312。还可以针对其它偏置向元件140延长对称线。虽然天线元件110、120、130、140描述为与Tx和Rx端口以及相关元件相关联，但是可倒换分配给元件的端口，使得有一个Tx天线元件和两个Rx天线元件与每对端口相关联。可移动Tx天线元件110、120的相对位置以修改辐射图，且当天线元件120未处于最佳λ位置时，为天线元件120提供相位偏移以补偿相位变化。此外，可对各馈源探针应用幅度偏移以提高隔离度。
图4所示为TxA与RxA元件之间的耦合的绘图400。曲线402表示元件172与元件152之间的相位角，曲线406表示元件172与元件154之间的相位角，曲线410表示元件172与元件152之间的相位角以及元件172与元件154之间的相位角的耦合的相位角delta。元件172与元件152之间的相位角以及元件172与元件154之间的相位角的耦合提供了约180°的delta。曲线404表示元件172与元件152之间的幅度，曲线408表示元件172与元件154之间的幅度。元件172与元件152之间的幅度以及元件172与元件154之间的幅度不等，这可能需要对元件152应用元件偏移以提供相等的所需对消。图5所示为TxA信号在RxA处的耦合信号对消的绘图500。曲线502表示Tx端口150与Rx端口170之间的耦合发射功率，Tx端口150与Rx端口170之间的耦合发射功率低于45dB。图6所示为正交端口隔离的绘图600。曲线602是正交偏振元件162与元件172之间的耦合，曲线604是元件172与元件164之间的耦合，曲线606是元件182与元件152之间的耦合，曲线608是元件182与元件154之间的耦合。各端口为正交元件提供优于-45dB的隔离。
本领域普通技术人员将认识到，图1至图6所示的系统和组件可包括图中未示出的组件。为使说明简洁且清晰，图中的元件未必按比例绘制，仅为示意，且对元件结构无限制。本领域技术人员将显而易见，在不脱离所附权利要求书中定义的发明范围的情况下，可以进行一些变更和修改。
虽然在一些实施例中，针对规模提供了特定数量，但是本领域技术人员应认识到，设计不限于这些特定数量，可以修改，例如根据有限接地平面的要求、操作频率和其它参数进行修改。
应理解，除非上下文中另有明确说明，单数形式“一个”和“所述”包括复数含义。因此，例如，引用“一个设备”包括引用一个或多个这类设备，即，存在至少一个设备。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”解释为开放式术语(即，意味着“包含但不限于”)，除非另有说明。除非本文另有指示或明显与上下文相矛盾，否则本文所描述的所有方法均可以按任何合适的顺序执行。使用示例或示例性语言(如“例如”)仅旨在更好地说明或描述本发明实施例，并非旨在限制本发明的范围，除非另有声明。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其它特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文中所给出的细节。例如，各种元件或组件可以在另一系统中组合或整合，或者某些特征可以省略或不实施。

Claims (18)

1.一种全双工2x2多入多出（multiple-input multiple-output，MIMO）天线阵列，其特征在于，包括：
天线反射器，其限定x-y平面；
第一天线元件，其安装在所述天线反射器上，具有面向第一方向的第一线性偏振元件和面向第二方向的第二线性偏振元件，其中所述第二方向与所述第一方向正交；
第二天线元件，其安装在所述天线反射器上，具有与所述第一方向共线的线性偏振元件；
第三天线元件，其安装在所述天线反射器上，具有与所述第二方向共线的线性偏振元件；以及
第四天线元件，其安装在所述天线反射器上，接近所述第一天线元件，具有平行于所述第一方向的第一线性偏振元件和平行于所述第二方向的第二线性偏振元件；
对从所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第一线性偏振元件生成的信号耦合，以在所述第二天线元件处对消。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，对从所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第二线性偏振元件生成的信号进行耦合，以在所述第三天线元件处对消。
3.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第二天线元件沿所述第一方向限定的从第一线性偏振元件方向延伸的对称线放置，所述第三天线元件沿所述第二方向限定的从第二线性偏振元件方向延伸的对称线放置。
4.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一天线元件和所述第四天线元件在x平面的x轴上对齐。
5.根据权利要求4所述的天线阵列，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向相对于y轴分别为+45°和–45°。
6.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于，所述第四天线元件沿所述x轴放置在所述第一天线元件下方，所述第二和第三天线元件相对于所述x轴放置在所述第一天线元件上方。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述第二天线元件和所述第三天线元件沿y平面中的y轴对齐。
8.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于，所述第二天线元件和所述第三天线元件分隔于所述y轴的两侧，其中所述y轴穿过所述第一天线元件和所述第四天线元件的中心。
9.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于，所述第二天线元件和所述第三天线元件中的每一个的中心沿所述y轴以相对于所述第一天线元件和所述第四天线元件限定的所述x轴0.95 λ的距离分隔，其中λ是所述天线阵列的频率。
10.根据权利要求9所述的天线阵列，其特征在于，所述第二天线元件和所述第三天线元件中的每一个的所述中心沿x轴以所述第一天线元件上方0.95 λ的距离分隔。
11.根据权利要求10所述的天线阵列，其特征在于，所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述中心沿所述x轴以0.66 λ的距离分隔。
12.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第一线性偏振元件生成的信号在所述第二天线元件处达到180°异相，所述第一天线元件和所述第四天线元件的所述第二线性偏振元件生成的信号在所述第三天线元件处达到180°异相。
13.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于：
所述第一天线元件的所述第一线性偏振元件和所述第四天线元件的所述第一线性偏振元件耦合到第一端口；
所述第一天线元件的所述第二线性偏振元件和所述第四天线元件的所述第二线性偏振元件耦合到第二端口；
所述第二天线元件的第一线性偏振元件耦合到第三端口；以及
所述第二天线元件的第二线性偏振元件耦合到第四端口。
14.根据权利要求13所述的天线阵列，其特征在于：
所述第一端口耦合到发射器输入端A；
所述第二端口耦合到发射器输入端B；
所述第三端口耦合到接收器输出端A；以及
所述第四端口耦合到接收器输出端B。
15.根据权利要求14所述的天线阵列，其特征在于：
所述第一端口耦合到接收器输出端A；
所述第二端口耦合到接收器输出端B；
所述第三端口耦合到发射器输入端A；以及
所述第四端口耦合到发射器输入端B。
16.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线元件是探针馈源贴片元件。
17.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线元件是偶极子。
18.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线元件是缝隙耦合贴片。
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