CN110048217B - 一种用于mimo系统的多天线阵列及排列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MIMO系统的多天线阵列及排列设计方法，多根天线分成两组交错分布，首先定义一个虚拟载体，所述虚拟载体具体两个平行且形状相同的虚拟面，所述多根天线分成两组，其中一组天线垂直的安装在一个虚拟面四周，另一组天线垂直的安装在另一个虚拟面四周，两组天线相互平行且方向相反安装，两组天线在虚拟面的正投影上间隔均匀的交错分布，通过虚拟面尺寸选择使得每两根天线中心点的距离d要大于等于阈值S。本发明可以尽可能减小设备的总体尺寸，实现一体化的机箱和天线阵设计，或者可以使机箱内的电路板和机箱厚度可以增加上下天线之间的距离。

Description

一种用于MIMO系统的多天线阵列及排列设计方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种用于MIMO系统的多天线阵列及排列设计方法。

背景技术

多终端发射和基站多天线接收是一种典型的MIMO通信系统，这里MIMO指多输入多输出天线系统。MIMO系统的一个重要特征就是多天线，由于天线数较多，满足天线间距要求的天线阵列尺寸可能较大。大规模MIMO系统中基站配置有大量天线，天线密度过高，天线之间挨得太近容易使传输信道呈现相关性，降低信道容量。以线性天线阵列为例，当天线间距小于半波长时，由于天线间相关性比较强，导致大规模天线阵列系统提升频谱效率的能力下降。为了保证信道不相关，那么天线之间的距离需要尽可能大，同时电磁波的频率越低，波长越长，相同的空间可布局的天线数目越少。因此多天线排列方案的设计需要考虑天线阵列所占空间大小，天线之间的距离的问题，因此多天线排列方案的设计是一个难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种多天线排列设计方法，保障设备尽可能少占用空间，并且减小设备的总体尺寸。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于MIMO系统的多天线阵列，其特征在于：包括虚拟载体和排列在虚拟载体上的多根天线，所述虚拟载体具体两个平行且形状相同的虚拟面，所述多根天线分成两组，其中一组天线垂直的安装在一个虚拟面四周，另一组天线垂直的安装在另一个虚拟面四周，两组天线相互平行且方向相反安装，两组天线在虚拟面的正投影上间隔均匀的交错分布，相邻天线的中点之间距离大于该天线工作的半波长。

作为改进，所述虚拟面为圆形或者正多边形。

一种用于MIMO系统的多天线阵列排列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据工作频率f，计算波长λ；

步骤2、根据天线数M和每两根天线中心点的距离d要大于等于阈值S，设计天线排列方式，选择合适的天线排列设计方案，具体方式如下：

定义一个虚拟载体，所述虚拟载体具体两个平行且形状相同的虚拟面，所述多根天线分成两组，其中一组天线垂直的安装在一个虚拟面四周，另一组天线垂直的安装在另一个虚拟面四周，两组天线相互平行且方向相反安装，两组天线在虚拟面的正投影上间隔均匀的交错分布，通过虚拟面尺寸选择使得每两根天线中心点的距离d要大于等于阈值S。

作为改进，所述阈值S不小于该天线工作的半波长。

作为改进，所述虚拟面为圆形或者正多边形。

作为改进，所述天线数M＝8，所述虚拟面为正方形，记该正方形边长为a，两个虚拟面之间距离即为b，即虚拟载体是截面为正方形的长方体，其中四根天线排列在长方体的一个虚拟面的四个顶点处，另外四根天线排列在长方体的另一个虚拟面的边线中点处，那么相邻两根天线中点之间距离有三种，分别即为

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，h为天线的高度，那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，

作为改进，所述天线的排列方案采用长方体的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，那么，

因此长方体下面的四个顶点，离每个顶点最近的三根天线，彼此的距离相等。

作为改进，所述天线数M＝8，所述虚拟载体为圆柱体，两个虚拟面为等径的圆形面，记r是圆柱体的半径，b为圆柱体的高，h是天线的高度，其中四根天线均匀排列在圆柱体的上底面的边上，另外四根天线均匀排列在圆柱体下底面的边上，上底面的天线和下底面的天线交错排列，那么

其中x可以根据余弦定理得到，即

其中y可以根据余弦定理得到，即

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，x代表天线2天线1在同一个虚拟面上正投影之间的距离，y代表天线2和天线3在同一个虚拟面上正投影之间的距离，那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，

作为改进，天线的排列方案采用圆柱体的设计时，

即

作为改进，所述天线数M＝8，所述虚拟载体为正八棱柱，即两个虚拟面为正八边形，记a是正八边形的边长，b为正八棱柱的高，h是天线的高度，天线的排列方案为四根天线均匀排列在正八棱柱的一个虚拟面的八条边中点上，另外四根天线均匀排列在正八棱柱另一个虚拟面的八条边中点上，两个虚拟面上的天线交错排列，那么

其中

其中

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，x代表天线2根部在下底面对应位置和天线1根部之间的距离，y代表天线2根部在下底面对应位置和天线3根部之间的距离，那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，通常

作为改进，天线的排列方案采用正八棱柱的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，即

作为改进，所述多天线阵列还设有用于安装和控制天线的机箱，所述机箱安装与虚拟载体相同轮廓设计，或者所述机箱采用体积更小的相似轮廓设计。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以尽可能减小设备的总体尺寸。

2、本发明可以实现一体化的机箱和天线阵设计，将机箱形状设计为等同于虚拟载体形状，或者相似的轮廓设计，但体积更小，可以最大程度地减小机箱的体积。

3、本发明一体化的机箱和天线设计可以使机箱内的电路板和机箱厚度可以增加上下天线之间的距离。

附图说明

图1是本发明实施例1中虚拟载体为长方体示意图；

图2是本发明实施例2中虚拟载体为圆柱体示意图；

图3是本发明实施例3中虚拟载体为正八棱柱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行举例说明。

本发明根据工作频率f，计算波长λ，

根据所需天线数M，每根天线中心点的距离d要大于等于S，来设计天线排列方式，其中真空中电磁波的波速为c，c＝299792.458km/s≈3×10⁸m/s，通常S取

一种上述多天线排列设计方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤一、根据工作频率f，计算波长λ；

步骤二、根据天线数M和每根天线中心点的距离d要大于等于S，设计天线排列方式，选择合适的天线排列设计方案；具体方式如下：

定义一个虚拟载体，所述虚拟载体具体两个平行且形状相同的虚拟面，所述多根天线分成两组，其中一组天线垂直的安装在一个虚拟面四周，另一组天线垂直的安装在另一个虚拟面四周，两组天线相互平行且方向相反安装，两组天线在虚拟面的正投影上间隔均匀的交错分布，通过虚拟面尺寸选择使得每两根天线中心点的距离d要大于等于阈值S。所述阈值S不小于该天线工作的半波长，所述虚拟面为圆形或者正多边形，下面根据虚拟面的类型具体举例说明。

实施例1、如图1所示，虚拟面为正方形，虚拟载体为长方体9，该方案中，天线数M＝8，分别为天线1、2、3、4、5、6、7、8，天线的排列方案采用长方体9的设计，长方体9的边长为a,a,b，a为长方体9截面的边长，b为长方体9的高，h是天线的高度。天线的排列方案为四根天线2、4、6、8排列在长方体9的上面的四个顶点，另外四根天线1、3、5、7排列在长方体9下面四条边的中点上。那么

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离。那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，通常S取

作为一种更优的实施例，天线的排列方案采用长方体9的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，那么，

因此长方体9下面的四个顶点，离每个顶点最近的三根天线，彼此的距离相等，并且d₁₂＝d₂₃＝d₁₃≥S，通常S取

实施例2，如图2所示，该实施例，虚拟载体为圆柱体10，天线数M＝8，分别为天线1、2、3、4、5、6、7、8，天线的排列方案采用圆柱体10的设计，圆柱体10的参数为r,b，r是圆柱体10的半径，b为圆柱体10的高，h是天线的高度。天线的排列方案为四根天线2、4、6、8均匀排列在圆柱体10的上底面的边上，另外四根天线1、3、5、7均匀排列在圆柱体10下底面的边上，上底面的天线和下底面的天线交错排列。那么

其中x可以根据余弦定理得到，即

其中y可以根据余弦定理得到，即

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，x代表天线2根部在下底面对应位置和天线1根部之间的距离，y代表天线2根部在下底面对应位置和天线3根部之间的距离。那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，通常S取

作为一种更优的实施例，天线的排列方案采用圆柱体10的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，即

并且d₁₂＝d₂₃＝d₁₃≥S，通常S取

实施例3，如图3所示，该实施例，虚拟载体采用正八棱柱11，天线数M＝8，分别为天线1、2、3、4、5、6、7、8，天线的排列方案采用正八棱柱11的设计，正八棱柱11的参数为a,b，a是正八棱柱11的边长，b为正八棱柱11的高，h是天线的高度。天线的排列方案为四根天线2、4、6、8均匀排列在正八棱柱11的上底面的八条边上，另外四根天线1、3、5、7均匀排列在正八棱柱11下底面的八条边上，上底面的天线和下底面的天线交错排列。那么

其中

其中

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，x代表天线2根部在下底面对应位置和天线1根部之间的距离，y代表天线2根部在下底面对应位置和天线3根部之间的距离。那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，通常S取

作为一种更优的实施例，天线的排列方案采用正八棱柱11的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，即

并且d₁₂＝d₂₃＝d₁₃≥S，通常S取

需要指出的是，本发明实施例中，虚拟载体并不限于虚拟面为正边形和正八边形情况，以上仅仅是举例说明，不对本发明保护范围构成限制，根据上述实施例推导，实际上虚拟面可以是正三边形、正五边形、正六边形、正七边形和正九边形等等，对应的虚拟载体为正三棱柱、正五棱柱、正六棱柱、正七棱柱和正九棱柱。

需要指出的是，本发明虚拟载体仅为设计天线阵列而存在的一个虚拟形状，当天线按照设计的虚拟载体确定好位置坐标后，天线本身的固定安装可以是将虚拟载体的轮廓线转为实际载体，也可以是任何其他形状的实际载体，只要天线固定后位置关系满足在虚拟载体中分布即可。另外一般情况下，该天线阵列实际应用过程中有一个机箱，机箱除了安装天线阵列本身以外还安装有电源和控制电路等辅助部件，机箱的形状可以刚好与虚拟载体形状相同，该种情况下，虚拟载体即是机箱轮廓也是天线载体，以节省体积，增加天线阵列固定的稳定性。机箱还可以与虚拟载体不同，形状和大小实际安装位置和内部零部件的需求进行设计，这种情况下虚拟载体仅仅是阵列天线的载体。例如，机箱可以采用与虚拟载体相似的轮廓设计，但体积更小，这样可以最大程度地减小机箱的体积，还可以采用与虚拟载体等比例缩小或者放大设计。

Claims (12)

1.一种用于MIMO系统的多天线阵列，其特征在于：包括虚拟载体和排列在虚拟载体上的多根天线，所述虚拟载体具体两个平行且形状相同的虚拟面，所述多根天线分成两组，其中一组天线垂直的安装在一个虚拟面四周，另一组天线垂直的安装在另一个虚拟面四周，两组天线相互平行且方向相反安装，两组天线在虚拟面的正投影上间隔均匀的交错分布，相邻天线的中点之间距离大于天线工作的半波长，通过虚拟面尺寸选择使得每两根天线中心点的距离d要大于等于阈值S。

2.如权利要求1所述的多天线阵列，其特征在于：所述虚拟面为圆形或者正多边形。

3.一种用于MIMO系统的多天线阵列排列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据工作频率f，计算波长λ；

步骤2、根据天线数M和每两根天线中心点的距离d要大于等于阈值S，设计天线排列方式，选择合适的天线排列设计方案，具体方式如下：

定义一个虚拟载体，所述虚拟载体具体两个平行且形状相同的虚拟面，多根天线分成两组，其中一组天线垂直的安装在一个虚拟面四周，另一组天线垂直的安装在另一个虚拟面四周，两组天线相互平行且方向相反安装，两组天线在虚拟面的正投影上间隔均匀的交错分布，通过虚拟面尺寸选择使得每两根天线中心点的距离d要大于等于阈值S。

4.如权利要求3所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：所述阈值S不小于天线工作的半波长。

5.如权利要求3所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：所述虚拟面为圆形或者正多边形。

6.如权利要求3所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：所述天线数M＝8，所述虚拟面为正方形，记该正方形边长为a，两个虚拟面之间距离即为b，即虚拟载体是截面为正方形的长方体，其中四根天线排列在长方体的一个虚拟面的四个顶点处，另外四根天线排列在长方体的另一个虚拟面的边线中点处，其中天线1在虚拟载体一个虚拟面边线上的中点，天线3和天线1在同一个虚拟面并且天线3在天线1所在边线的相邻边线的中点，天线2在虚拟载体另一个虚拟面上的顶点，天线2在虚拟载体的另一个虚拟面上的投影位于天线1和天线3所在边线的交点，那么天线1、天线2和天线3相邻两根天线中点之间距离有三种，分别为

d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，h为天线的高度，那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，

7.如权利要求6所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：所述天线的排列方案采用长方体的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，那么，

因此长方体下面的四个顶点，离每个顶点最近的三根天线，彼此的距离相等。

8.如权利要求3所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：所述天线数M＝8，所述虚拟载体为圆柱体，两个虚拟面为等径的圆形面，记r是圆柱体的半径，b为圆柱体的高，h是天线的高度，其中四根天线均匀排列在圆柱体的上底面的边上，另外四根天线均匀排列在圆柱体下底面的边上，上底面的天线和下底面的天线交错排列，其中天线1在虚拟载体一个虚拟面边上，天线3和天线1在同一个虚拟面的边上，天线1和天线3在所在虚拟面的边上的距离为该虚拟面周长的四分之一，天线2在虚拟载体的另一个虚拟面的边上，天线2在虚拟载体另一个虚拟面上的投影位于天线1和天线3之间边的中点，该投影与天线1和天线3在该虚拟面边的位置距离为该虚拟面周长的八分之一，那么天线1、天线2和天线3相邻两根天线中点之间距离有三种，

其中x可以根据余弦定理得到，即

其中y可以根据余弦定理得到，即

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，x代表天线2天线1在同一个虚拟面上正投影之间的距离，y代表天线2和天线3在同一个虚拟面上正投影之间的距离，那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，

9.如权利要求8所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：天线的排列方案采用圆柱体的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，即

10.如权利要求3所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：所述天线数M＝8，所述虚拟载体为正八棱柱，即两个虚拟面为正八边形，记a是正八边形的边长，b为正八棱柱的高，h是天线的高度，天线的排列方案为四根天线均匀排列在正八棱柱的一个虚拟面的八条边中点上，另外四根天线均匀排列在正八棱柱另一个虚拟面的八条边中点上，两个虚拟面上的天线交错排列，其中天线1在虚拟载体一个虚拟面边线上的中点，天线3和天线1在同一个虚拟面上不相邻的边线的中点，天线2在虚拟载体另一个虚拟面上的一条边线的中点，天线2所在的虚拟面上的边线在虚拟载体的另一个虚拟面上的投影与天线1和天线3所在边线相邻，那么天线1、天线2和天线3相邻两根天线中点之间距离有三种，

其中

其中

其中d₁₂代表天线1中心点和天线2中心点之间的距离，d₂₃代表天线2中心点和天线3中心点之间的距离，d₁₃代表天线1中心点和天线3中心点之间的距离，x代表天线2根部在下底面对应位置和天线1根部之间的距离，y代表天线2根部在下底面对应位置和天线3根部之间的距离，那么需满足d₁₂≥S,d₂₃≥S,d₁₃≥S，通常

11.如权利要求10所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：天线的排列方案采用正八棱柱的设计时，d₁₂＝d₂₃＝d₁₃，即

12.如权利要求3至11任意一项所述的多天线阵列排列设计方法，其特征在于：所述多天线阵列还设有用于安装和控制天线的机箱，所述机箱与虚拟载体相同轮廓设计或者体积更小的相似轮廓设计。

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