CN110444905B - 一种二维mimo天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种二维MIMO天线阵，该MIMO天线阵通过合理布局发射天线和接收天线，形成等效虚拟接收天线阵列。本发明利用多入多出天线阵特性，通过合理布局，把多根发射天线和多根接收天线等效为单根发射天线多根接收天线的等效虚拟天线阵列。从而节省了实际天线数量，从根本上解决了天线阵体积大，数量多，接收系统复杂等问题。

Description

一种二维MIMO天线阵
技术领域
本发明涉及电磁波信号发射、接收等射频技术领域，特别涉及一种二维多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，简写：MIMO)天线阵列。
背景技术
天线是无线通信系统，雷达系统必不可少的元件，天线在信号传输过程中扮演“头”或者“尾”的角色。在电磁波从空气中或者介质中被接收到电路的过程中，天线是接收电路第一个元件；在电磁波向空气中或者介质中发射过程中，天线是发射电路最后一个元件。在实际应用中，由于单一天线的性能有时不能很好地满足系统需求，采用多根天线并联、串联或者组成特定的阵列可以大幅度提高天线性能，从而满足系统需求。多输入多输出(MIMO)技术在5G通信时代正在发挥重要的作用，合理的MIMO天线阵对降低通信系统的复杂性，减少信号的时延起很重要的作用。以目前自动驾驶系统中毫米波雷达为例，天线采用MIMO阵列以提高雷达对目标的分辨能力，从而提高自动驾驶的安全性。然而在自动驾驶领域所采用的MIMO天线阵绝大多数为一维天线阵，即仅方位向为MIMO天线阵，而垂直方向仅有一根或少数几根天线，这就导致产品在垂直方向上分辨率很低，无法分辨垂直方向上距离较近的两个物体，限制了产品的应用范围。目前MIMO天线阵有很多组成形式，其中最优的组阵方式是等效后的虚拟接收天线等间距且连续而不存在重叠。根据相关理论，N根等间距发射天线和M根等间距接收天线根据天线的排列方式最多可以等效成1根发射天线N×M根虚拟接收天线，最少可以等效成1根发射天线M根虚拟接收天线。可见，不同的组阵方式等效出来的虚拟接收天线数量大不一样，研究最合理的天线组阵方式对降低通信系统和雷达系统的复杂度，提升系统的性能均有非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种二维MIMO天线阵，用以解决现有MIMO天线阵某一方向角度分辨率低，等效虚拟天线接收阵在相邻天线等间距上存在重叠或者缺失问题，以实现虚拟天线接收阵在二维平面内的最大等效，从而节约通信系统和雷达系统的资源，降低系统的复杂度和成本。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种二维MIMO天线阵，其特征在于，包括水平方向天线和垂直方向天线；
所述水平方向天线包括制作在印制板或者基板上的第1组第1根接收天线r11109、第1组第2根接收天线r12108···第1组第n根接收天线r1n107、第2组第1根接收天线r21106、第2组第2根接收天线r22105···第2组第n根接收天线r2n104、第mr组第1根接收天线
Figure BDA0002169825930000024
103、第mr组第2根接收天线
Figure BDA0002169825930000025
102···第mr组第n根收天线
Figure BDA0002169825930000026
101；第1组第1根发射天线t11118、第1组第2根发射天线t12117···第1组第m根发射天线t1m116、第2组第1根发射天线t21115、第2组第2根发射天线t22114···第2组第m根发射天线t2m113、第mt组第1根发射天线
Figure BDA0002169825930000021
112、第mt组第2根发射天线
Figure BDA0002169825930000022
111···第mt组第m根发射天线
Figure BDA0002169825930000023
110；
所述垂直方向天线与所述水平方向天线制作在同一块印制板或者基板上上，包括所述垂直方向的第1组第1根接收天线R11209、第1组第2根接收天线R12208···第1组第N根接收天线R1N207、第2组第1根接收天线R21206、第2组第2根接收天线R22205···第2组第N根接收天线R2N204、第Mr组第1根接收天线RMr1203、第Mr组第2根接收天线RMr2202···第Mr组第N根接收天线RMrN201；还包括第1组第1根发射天线T11218、第1组第2根发射天线T12217···第1组第M根发射天线T1M216、第2组第1根发射天线T21215、第2组第2根发射天线T22214···第2组第M根发射天线T2M213、第Mt组第1根发射天线
Figure BDA0002169825930000029
212、第Mt组第2根发射天线
Figure BDA0002169825930000027
211···第Mt组第M根发射天线
Figure BDA0002169825930000028
210；
水平方向上，每组接收天线内部相邻两根天线间距均为d，相邻两组接收天线之间的距离为[(mt-1)×n+1]×d，每组发射天线内部相邻两根天线间距均为n×d，相邻两组发射天线之间的距离为n×[m×(mr-1)+1]×d；
垂直方向上，每组接收天线内部相邻两根天线间距均为D，相邻两组接收天线之间的距离为[(Mt-1)×N+1]×D，每组发射天线内部相邻两根天线间距均为N×D，相邻两组发射天线之间的距离为N×[M×(Mr-1)+1]×D；
所述的d，D∈[λ0/5,2λ0]，n,N∈[1,32]，mr,Mr∈[1,64]，m,M∈[1,32]，mt,Mt∈[1,64]；
所述的水平方向和垂直方向上的接收天线用于接收电磁波信号，发射天线用于发射电磁波信号，所述的电磁波信号的频率为3GHz～110GHz。
进一步地，水平方向的所有接收天线均为相同的外形，水平方向的所有发射天线均为相同的外形，垂直方向的所有接收天线均为相同的外形，垂直方向的所有发射天线均为相同的外形，所述的外形选自矩形、三角形、圆形中的任意一种。
进一步地，所述的水平方向的所有接收天线和发射天线均为相同的外形，所述的垂直方向的所有接收天线和发射天线均为相同的外形，所述的外形选自矩形、三角形、圆形中的任意一种。
进一步地，所述的外形具体为：
单根天线外形为单个矩形或者两个及两个以上矩形串联或并联；
单根天线外形为单个三角形或者两个及两个以上三角形串联或并联；
单根天线外形为单个圆形或者两个及两个以上圆形串联或并联。
进一步地，所有的天线表面镀金或者镀银，镀金或镀银厚度为0.01微米到10微米。
进一步地，所述的印制板板材选自Rogers 4350、Rogers 5880、Rogers 3003，Rogers 4003，Rogers 4850，Panasonic M4,Panasonic M6，ARLON TC350,ARLON AD300C,ARLON CLTE-AT,TACONIC RF35A2,TACONIC TLY-5,TACONIC TSM-30,板材厚度为2密耳到160密耳之间，优选厚度为4密耳到20密耳之间。所述基板选自硅基板、树脂板、玻璃板、陶瓷板，板材厚度为10微米到1000微米之间。
进一步地，所述的电磁波信号的工作频率优选75GHz～96GHz。
进一步地，所述的d优选取值为λ0/2～2λ0/3，n优选取值为2～8，mr优选取值为2～10，m优选取值为2～8，mt优选取值为2～10。
进一步地，所述的D优选取值为λ0/2～2λ0/3，N优选取值为2～8，Mr优选取值为2～10，M优选取值为2～8，Mt优选取值为2～10。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的二维MIMO天线阵，利用多入多出天线阵特性，通过合理布局发射天线和接收天线，把多根发射天线和多根接收天线等效为单根发射天线多根接收天线的等效虚拟天线阵列，以实现虚拟天线接收阵在二维平面内的最大等效，从而节省了实际天线数量，节约通信系统和雷达系统的资源，降低系统的复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明水平方向接收天线和发射天线布局示意图；
图2为本发明垂直方向接收天线和发射天线布局示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例所述二维MIMO天线阵水平方向天线布局示意图，具体可以包括：制作在印制板或者基板上的第1组第1根接收天线r11109、第1组第2根接收天线r12108···第1组第n根接收天线r1n107、第2组第1根接收天线r21106、第2组第2根接收天线r22105···第2组第n根接收天线r2n104、第mr组第1根接收天线
Figure BDA0002169825930000031
103、第mr组第2根接收天线
Figure BDA0002169825930000045
102···第mr组第n根收天线
Figure BDA0002169825930000044
101；这些接收天线用于接收空中的电磁波信号，可接收频率75GHz～82GHz的电磁波信号，天线图案为单级矩形贴片，制作于Rogers3003或者Rogers 4350板材上，板材厚度为0.1mm～0.254mm，贴片天线长度为0.85mm～1.05mm，宽度为0.9mm～1.6mm。水平方向同一组相邻接收天线间距d取0.5λ0，当天线工作频率为75GHz～82GHz时，λ0为3.81mm，即d＝1.905mm。取n＝4，mr＝5，即水平方向接收天线共5组，每组4根，共20根。
水平方向天线还包括发射天线，具体为第1组第1根发射天线t11118、第1组第2根发射天线t12117···第1组第m根发射天线t1m116、第2组第1根发射天线t21115、第2组第2根发射天线t22114···第2组第m根发射天线t2m113、第mt组第1根发射天线
Figure BDA0002169825930000041
112、第mt组第2根发射天线
Figure BDA0002169825930000043
111···第mt组第m根发射天线
Figure BDA0002169825930000042
110；这些水平方向发射天线用于向空中或者介质中发射电磁波信号，可发射频率75GHz～82GHz的电磁波信号，天线图案为单级矩形贴片，外形与水平方向接收天线相同，并与水平方向接收天线制作于同一板材上，长度为0.85mm～1.05mm，宽度为0.9mm～1.6mm。水平方向同一组内相邻发射天线间距为n×d＝4×1.905＝7.62mm。取m＝3，mt＝5，即水平方向发射天线共5组，每组3根，共15根。
水平方向相邻两组接收天线中相邻两根天线rn与r1的间距为[(mt-1)×n+1]×d＝[(5-1)×4+1]×1.905＝32.385mm。水平方向相邻两组发射天线中相邻两根天线tm与t1的间距为n×[m×(mr-1)+1]×d＝4×[3×(5-1)+1]×1.905＝99.06mm。水平方向等效虚拟天线数量为n×mr×mt×m＝4×5×5×3＝300。角度分辨率θ＝λ0/(n·mr·mt·m·d)＝0.00667rad＝0.382°。
如图2所示，图2为本发明实施例所述二维MIMO天线阵垂直方向天线布局示意图，具体可以包括：垂直方向的第1组第1根接收天线R11209、第1组第2根接收天线R12208···第1组第N根接收天线R1N207、第2组第1根接收天线R21206、第2组第2根接收天线R22205···第2组第N根接收天线R2N204、第Mr组第1根接收天线RMr1203、第Mr组第2根接收天线RMr2202···第Mr组第N根接收天线RMrN201；这些接收天线用于接收空中的电磁波信号，可接收频率75GHz～82GHz的电磁波信号，天线图案为单级矩形贴片，与水平方向天线制作于同一板材上。贴片天线长度为0.85mm～1.05mm，宽度为0.9mm～1.6mm。垂直方向同一组相邻接收天线间距D取2λ0/3，当天线工作频率为75GHz～82GHz时，λ0为3.81mm，即D＝2.54mm。取N＝4，Mr＝5，即垂直方向接收天线共4组，每组4根，共16根。
还包括第1组第1根发射天线T11218、第1组第2根发射天线T12217···第1组第M根发射天线T1M216、第2组第1根发射天线T21215、第2组第2根发射天线T22214···第2组第M根发射天线T2M213、第Mt组第1根发射天线
Figure BDA0002169825930000051
212、第Mt组第2根发射天线
Figure BDA0002169825930000052
211···第Mt组第M根发射天线
Figure BDA0002169825930000053
210；这些垂直方向发射天线用于向空中或者介质中发射电磁波信号，可发射频率75GHz～82GHz的电磁波信号，天线图案为单级矩形贴片，外形与垂直方向接收天线相同，并与垂直方向接收天线制作于同一板材上，长度为0.85mm～1.05mm，宽度为0.9mm～1.6mm。垂直方向同一组内相邻发射天线间距为N×D＝4×2.54＝10.16mm。取M＝3，Mt＝4，即垂直方向发射天线共4组，每组3根，共12根。
垂直方向相邻两组接收天线中相邻两根天线RN与R1的间距为[(Mt-1)×N+1]×D＝[(4-1)×4+1]×2.54＝33.02mm。垂直方向相邻两组发射天线中相邻两根天线TM与T1的间距为N×[M×(Mr-1)+1]×D＝4×[3×(4-1)+1]×2.54＝101.6mm。垂直方向等效虚拟天线数量为N×Mr×Mt×M＝4×5×4×3＝240。角度分辨率θ＝λ0/(N·Mr·Mt·M·D)＝0.00625rad＝0.358°。
视场范围FOV＝2arcsin(λ0/2D)＝97.2°。
所述的电磁波信号包括但不限于连续波、脉冲波；
所述的d，D的量纲为毫米，为实数；所述的n、N、m、M为正整数，所述的mt、Mt、mr、Mr为正整数。
以上只是本发明的一个实施案例，在本发明的基础上适当增加接收天线数量，如接收天线8根一组，共4组；增加发射天线数量，如发射天线4根一组，共4组；或者改变天线图案，如矩形贴片改为三角形或者圆形贴片，均在本发明保护范围内。
综上所述，本发明实施例提供了一种二维MIMO天线阵，通过合理布局天线阵，解决了现有MIMO天线阵某一方向角度分辨率低，等效虚拟天线接收阵在相邻天线等间距上存在重叠或者缺失问题。本发明可以实现虚拟天线接收阵在二维平面内的最大等效，从而节约通信系统和雷达系统的资源，降低系统的复杂度和成本。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二维MIMO天线阵，其特征在于，包括水平方向天线和垂直方向天线；
所述水平方向天线包括制作在印制板或者基板上的第1组第1根接收天线r11(109)、第1组第2根接收天线r12(108)···第1组第n根接收天线r1n(107)、第2组第1根接收天线r21(106)、第2组第2根接收天线r22(105)···第2组第n根接收天线r2n(104)、第mr组第1根接收天线
Figure FDA0002648097080000015
第mr组第2根接收天线
Figure FDA0002648097080000016
第mr组第n根收天线
Figure FDA0002648097080000017
第1组第1根发射天线t11(118)、第1组第2根发射天线t12(117)···第1组第m根发射天线t1m(116)、第2组第1根发射天线t21(115)、第2组第2根发射天线t22(114)···第2组第m根发射天线t2m(113)、第mt组第1根发射天线
Figure FDA0002648097080000018
第mt组第2根发射天线
Figure FDA0002648097080000011
第mt组第m根发射天线
Figure FDA0002648097080000019
所述垂直方向天线与所述水平方向天线制作在同一块印制板或者基板上，包括所述垂直方向的第1组第1根接收天线R11(209)、第1组第2根接收天线R12(208)···第1组第N根接收天线R1N(207)、第2组第1根接收天线R21(206)、第2组第2根接收天线R22(205)···第2组第N根接收天线R2N(204)、第Mr组第1根接收天线
Figure FDA00026480970800000110
第Mr组第2根接收天线
Figure FDA00026480970800000111
第Mr组第N根接收天线
Figure FDA00026480970800000112
还包括第1组第1根发射天线T11(218)、第1组第2根发射天线T12(217)···第1组第M根发射天线T1M(216)、第2组第1根发射天线T21(215)、第2组第2根发射天线T22(214)···第2组第M根发射天线T2M(213)、第Mt组第1根发射天线
Figure FDA0002648097080000012
第Mt组第2根发射天线
Figure FDA0002648097080000014
第Mt组第M根发射天线
Figure FDA0002648097080000013
水平方向上，每组接收天线内部相邻两根天线间距均为d，相邻两组接收天线之间的距离为[(mt-1)×n+1]×d，每组发射天线内部相邻两根天线间距均为n×d，相邻两组发射天线之间的距离为n×[m×(mr-1)+1]×d；
垂直方向上，每组接收天线内部相邻两根天线间距均为D，相邻两组接收天线之间的距离为[(Mt-1)×N+1]×D，每组发射天线内部相邻两根天线间距均为N×D，相邻两组发射天线之间的距离为N×[M×(Mr-1)+1]×D；
所述的d，D∈[λ0/5,2λ0]，λ0为电磁波在真空中传播的波长，n,N∈[1,32]，mr,Mr∈[1,64]，m,M∈[1,32]，mt,Mt∈[1,64]；
所述的水平方向和垂直方向上的接收天线用于接收电磁波信号，发射天线用于发射电磁波信号，所述的电磁波信号的频率为3GHz～110GHz。
2.根据权利要求1所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，水平方向的所有接收天线均为相同的外形，水平方向的所有发射天线均为相同的外形，垂直方向的所有接收天线均为相同的外形，垂直方向的所有发射天线均为相同的外形，所述的外形选自矩形、三角形、圆形中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，所述的水平方向的所有接收天线和发射天线均为相同的外形，所述的垂直方向的所有接收天线和发射天线均为相同的外形，所述的外形选自矩形、三角形、圆形中的任意一种。
4.根据权利要求2或3所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，所述的外形为单根天线外形，选自以下十五种外形中的任意一种：
(1)单个矩形；(2)两个矩形串联；(3)两个以上矩形串联；(4)两个矩形并联；(5)两个以上矩形并联；(6)单个三角形；(7)两个三角形串联；(8)两个以上三角形串联；(9)两个三角形并联；(10)两个以上三角形并联；(11)单个圆形；(12)两个圆形串联；(13)两个以上圆形串联；(14)两个圆形并联；(15)两个以上圆形并联。
5.根据权利要求2所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，所有的天线表面镀金或者镀银，镀金或镀银厚度为0.01微米到10微米。
6.根据权利要求1所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，所述的印制板板材选自Rogers4350、Rogers 5880、Rogers 3003、Rogers 4003、Rogers 4850、Panasonic M4、PanasonicM6、ARLON TC350、ARLON AD300C、ARLON CLTE-AT、TACONIC RF35A2、TACONIC TLY-5、TACONIC TSM-30中的任意一种；板材厚度为2密耳到160密耳之间；所述基板选自硅基板、树脂板、玻璃板、陶瓷板中的任意一种，板材厚度为10微米到1000微米之间。
7.根据权利要求1所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，所述的电磁波信号的工作频率为75GHz～96GHz。
8.根据权利要求1所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，所述的d取值为λ0/2～2λ0/3，n取值为2～8，mr取值为2～10，m取值为2～8，mt取值为2～10。
9.根据权利要求1所述的二维MIMO天线阵，其特征在于，所述的D取值为λ0/2～2λ0/3，N取值为2～8，Mr取值为2～10，M取值为2～8，Mt取值为2～10。
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