CN110679037A - 包括透镜的天线装置及使用透镜天线的通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括透镜的天线装置，包括多个天线单元以及透镜结构，该透镜结构用于改变从所述多个天线单元中的至少一个天线单元发射的电磁波的相位。透镜结构改变相位，以使所述多个天线单元具有彼此不同的辐射图案。

Description

包括透镜的天线装置及使用透镜天线的通信方法
技术领域
以下描述涉及一种用于利用透镜结构的天线装置的技术。
背景技术
已经研究了用于增加无线通信中的信道容量的各种技术。增加信道数量的传统方法利用时间或频率的划分。此外，提出了一种使用相同频带中的不同辐射方向图或极化来增加信道容量的方法。同时，为了使用不同的信道获得改进的多进多出(MIMO)增益，进行了各种研究。
用于MIMO增益改进的集成天线的主要问题涉及天线结构中天线之间的相互干扰信号。随着天线之间的物理距离减小，天线之间的相互干扰增加，并且随着相互干扰的增加，每个天线变得难以发送独立信号。为了减少MIMO天线布置中天线之间的相互干扰，提出了一种利用极化特性的双极化偶极集成天线结构。
发明内容
技术问题
以下描述的技术旨在提供一种用于使用透镜结构来增加天线装置的信道容量的技术。
解决问题的技术方案
包括透镜的天线装置包括多个天线单元和透镜结构，该透镜结构被配置为改变由多个天线单元中的至少一个天线单元发射的电磁波的相位。透镜结构被配置为改变相位，以使多个天线单元具有彼此不同的辐射图案。
利用透镜天线的使用的通信方法包括以下步骤：从多个天线单元分别输出电磁波；电磁波分别穿过多个透镜结构；以及，将由于穿过所述多个透镜结构而具有改变的相位的电磁波中的至少两个电磁波用作为通信信道。所述多个透镜结构具有不同的折射率。
在另一方面，利用透镜天线的通信方法包括：多个天线单元分别发射初始电磁波；从所述多个天线单元发射的初始电磁波中的一部分电磁波穿过透镜结构；以及将选自初始电磁波以及由于穿过透镜结构而具有改变的相位的电磁波中的至少两个电磁波用作为通信信道。
有益效果
下述技术通过将透镜应用于集成天线来抑制天线之间的相关度，从而增加了多天线系统的信道容量。下述技术可以使用相同类型的天线产生不同的信道。下述技术基于具有简单结构的集成天线有助于有效的MIMO增益。
附图说明
图1示出了传统的4端口集成天线的示例。
图2示出了包括透镜结构的4端口集成天线的示例。
图3示出了穿过透镜的电磁波的示例。
图4是示出透镜结构的厚度与辐射图案的相关度之间的关系的图。
图5是示出包括透镜结构的4端口集成天线的信道容量的曲线图。
图6是示出分析包括透镜结构的4端口集成天线的相关度的表。
图7示意性地示出了透镜天线的结构。
图8示出了透镜在透镜天线中的布置的示例。
图9示出了透镜在透镜天线中的布置的另一示例。
在整个附图和说明书中，除非另有说明，否则相同的附图标记应理解为表示相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便起见，这些元件的相对尺寸和描绘可能被放大和/或大体上改变。
具体实施方式
以下描述的技术可以以各种方式进行修改并且具有各种实施例，具体的实施例将在附图中示出并详细描述。然而，这并不旨在将以下描述的技术限于特定的实施例，而应当理解为包括以下描述的技术的精神和范围内包括的所有修改，等同物和替代物。。
尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”、“A”和“B”等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制，并且仅用于区分一个元素和另一个元素。例如，在不背离下述技术的范围的情况下，第一元素可以被称为第二元素，类似地，第二元素可以被称为第一元素。术语“和/或”包括多个相关项的组合或多个相关项中的任何项。
如本文所用，除非上下文另外指出，否则单数形式也意图包括复数形式，将理解的是，术语“包括”意味着所述特征、数量、步骤、操作、元素或它们的组合的存在，但是不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、元素、组件或它们的组合的存在或添加。
在详细描述附图之前，意图阐明本说明书中的组件的划分仅由每个组件的主要功能进行划分。即，以下将描述的两个或更多个组件可以组合成一个组件，或者可以根据更详细的功能划分成两个或更多个组件。除了组件的主要功能之外，下面将描述的每个组件还可以另外执行其他组件的一些或全部功能，并且每个组件的一些主要功能可以由其他组件专门执行。。
另外，在执行该方法或操作方法时，构成该方法的每个过程可以不同于所陈述的顺序发生，除非上下文清楚地指示了特定顺序。即，每个过程可以以指定的相同顺序发生，可以基本上同时执行，或者可以以相反的顺序执行。
以下描述的技术涉及一种包括透镜结构的天线装置。以下描述的天线装置通常包括多个天线单元。单个天线单元发射具有特定辐射图案的电磁波。以下描述的天线装置具有其中多个天线单元被集成到单个装置中的结构。以下描述的天线装置可以是二维平面天线或三维平面天线。为了便于描述，将主要对二维平面天线进行描述。
图1示出了传统的4端口集成天线50的示例。天线50包括多个天线单元P1、P2、P3和P4。天线50以将具有一般偏向角的天线单元P1、P2、P3和P4分别旋转90度的形式布置。天线单元P1和P3是具有相同或相似的极化特性(例如，V-pol天线)的天线，并且天线单元P2和P4是具有相同或相似的极化特性(例如，H-pol天线)的天线。在具有诸如天线50的集成结构的情况下，即使具有偏向角，由于极化分量，具有90度布置间隔的天线单元(例如，P1和P2)之的的相关度也较低，但是具有180度布置间隔的天线单元(例如P1和P3)由于极化分量而具有较高的相关度。这里，术语相关度是指天线输出(形成)的辐射图案的相关度。具有高相关度的天线单元(例如，P1和P3)降低了信道矩阵的秩。因此，具有这种天线单元的天线50由于不能确保信号之间的独立性而难以获得多个增益。
图2示出了包括透镜结构的4端口集成天线100的示例。天线100包括多个天线单元P1、P2、P3和P4。天线100通常是具有类似于图1所示的结构的4端口集成天线。
另外，天线100包括透镜结构150。透镜结构150是具有特定介电常数的电介质。透镜结构150优选为具有预定值以上的介电常数和磁导率中的至少一个的电介质。透镜结构150可以具有各种形状。例如，透镜结构150可以具有一定厚度的平面形状(基板)。为了便于描述，将包括透镜结构的天线称为透镜天线。天线单元P1、P2、P3和P4发射电磁波。由天线单元发射的电磁波穿过透镜结构150。天线100具有仅由天线单元P3和P4中的一部分发射的电磁波穿过透镜结构150的结构。透镜结构150被布置在仅由天线单元P3和P4发射的电磁波穿过的位置。
图3示出了穿过透镜的电磁波的示例。图3示出了由天线100中的天线单元P1和P3发射的电磁波的示例。假设天线单元P1和P3通常输出具有相同辐射图案的电磁波E1。
由于电磁波信号不仅是实数值，而且是复数信号，因此传输的信号不仅包含幅度，而且还包含相位信息。当天线的相位信息改变时，如以下等式1被定义为天线辐射图案之间的相关度的相关系数ρ的分子减小，因此天线相关度降低。结果是，改善了包括天线之间的干扰的信道矩阵H的秩，从而改善了信道容量。
等式1
Figure BDA0002295733680000051
天线单元P1输出具有波长d1的电磁波。天线单元P3也输出具有波长d1的电磁波。当将透镜结构150设置在天线单元P3的前面时，并且当忽略透镜的电损耗时，由天线单元P3产生的电磁波的信号受到透镜结构150的厚度的影响，并且电磁波的相位信息被改变。从天线单元P3输出的电磁波在透镜结构150中变慢。因此，穿过透镜结构150的电磁波E3与从天线单元P1发射的电磁波E1具有一定的相位差θ。以这种方式，天线100通过使用透镜结构150降低天线单元(例如，P1和P3)之间的相关度来增加信道容量。
参照图2所示的示例，当天线100中具有一定介电常数的透镜结构150的厚度变化时，由天线单元(例如，P1和P3)发射的辐射图案之间的相关度也变化。图4示出了曲线图的示例，该曲线图示出了透镜结构150的厚度与辐射图案的相关度之间的关系。随着透镜结构150的厚度变厚，相关度降低的效果变大。这是因为透镜结构150的厚度越厚，穿过透镜结构150的电磁波的相位信息变化越大。。
图4是示出透镜结构150的厚度与相关度降低之间的关系的曲线图的示例。形成透镜结构150的材料影响辐射图案的相关度。例如，当形成透镜结构150的电介质的折射率增大时，辐射图案的相关度与折射率成比例地减小。总而言之，透镜结构150的材料和厚度影响辐射图案相关度的降低。
图5示出了示出包括透镜结构的4端口集成天线的信道容量的曲线图的示例。图5示出了通过减小相关度来增加信道容量的程度。模拟假设全散射和非视距(NLOS)环境。总信道矩阵H由下面的等式2表示。
等式2
H＝Rt 1/2Hw…Rr 1/2
由于矩阵Rt和Rr是相关矩阵的元素Rt,(i,j)＝ρ(i,j)，因此它们有助于改善总信道H的秩，而与系统的环境信道矩阵HW无关。虽然在视距(LOS)环境中效效果有所降低，但由透镜结构引起的相位变化提高了天线信号之间的独立性，从而矩阵Rt和Rr的秩被改善，并且信道容量增加。
图6示出了分析包括透镜结构的4端口集成天线的相关度的表的示例。图6示出了分析包括透镜结构的天线100和传统的天线50的相关度的示例。假设透镜天线100使用厚度为3cm的FR-4基板作为透镜。图6示出了传统天线50和透镜天线100的相关矩阵的绝对值。此外，还示出了通过对相关矩阵执行奇异值分解而获得的特征值。参考图6，可以看出透镜天线100的相关度明显低于传统天线的相关度。
透镜天线通过使用透镜结构来改变由天线单元输出的电磁波的相位信息。由此增加了集成天线的信道容量。信道容量从两个方面增加。一种是通过使由多个天线单元发射的辐射图案变得彼此不同来增加信道。另一种是通过减少由多个天线单元发射的电磁波之间的干扰来增加信道。
图7示出了透镜天线的结构的示例。图7(a)中所示的天线200包括四个天线单元P1、P2、P3和P4以及透镜结构250。天线单元P1、P2、P3和P4可以是如图2所示其中的一部分具有彼此相同或相似的极化特性的天线。可替代地，天线单元P1、P2、P3和P4可以是其中的一部分具有彼此相同的辐射图案的天线。例如，天线单元P1和P3可以具有相同的极化特性或相同的辐射图案。另外，天线单元P2和P4可以具有相同的极化特性或相同的辐射图案。在这种情况下，透镜结构250可以仅用于天线单元P3和P4。透镜结构250具有仅使天线单元P3和P4的电磁波穿过的布置。具有上述结构的天线200降低了天线单元P1和P3(或天线单元P2和P4)之间的相关度，从而增加了信道容量。
假设天线单元P1和P3发射具有第一辐射图案的电磁波，并且天线单元P2和P4发射具有第二辐射图案的电磁波。天线200可以允许由透镜结构250改变由天线单元P3和P4发射的辐射图案。因此，天线单元P1、P2、P3和P4的辐射图案的相关度降低。
图7(b)所示的天线300包括四个天线单元P1、P2、P3和P4以及两个透镜结构351和352。天线单元P1、P2、P3和P4可以是如图2所示其中的一部分具有彼此相同或相似的极化特性的天线。可替代地，天线单元P1、P2、P3和P4可以是其中的一部分具有彼此相同的辐射图案的天线。例如，天线单元P1和P3可以具有相同的极化特性或相同的辐射图案。另外，天线单元P2和P4可以具有相同的极化特性或相同的辐射图案。天线300中彼此不同的透镜结构351和352分别应用于天线单元P1和P2以及天线单元P3和P4。透镜结构351和352是具有彼此不同的折射率的结构。在这种情况下，透镜结构351和352将“P1/P2”的电磁波的相位信息和“P3/P4”的电磁波的相位信息改变为相同。因此，具有上述结构的天线300降低天线单元P1和P3(或天线单元P2和P4)之间的相关度，从而增加了信道容量。
图7(c)所示的天线400包括四个天线单元P1、P2、P3和P4以及三个透镜结构451、452和453。天线单元P1、P2、P3和P4中的每个可以具有彼此相同或相似的极化特性。可替代地，天线单元P1、P2、P3和P4中的每个可以具有彼此相同或相似的辐射图案。在天线300中，透镜结构451、452和453分别用于天线单元“P1”、“P3”和“P4”。透镜结构451、452和453是具有彼此不同的折射率的结构。即，透镜结构451、452或453允许天线单元“P1”、“P3”和“P4”中的每个天线单元的电磁波的相位信息彼此不同。结果是，具有上述结构的天线400降低了所有天线单元P1，P2，P3和P4之间的相关度。
图7(d)所示的天线500包括四个天线单元P1、P2，P3和P4以及四个透镜结构551、552、553和554。天线单元P1、P2、P3和P4中的每个可以具有彼此相同或相似的极化特性。可替代地，天线单元P1、P2、P3和P4中的每个可以具有彼此相同或相似的辐射图案。在天线500中，透镜结构551、552、553和554分别用于天线单元“P1”、“P2”、“P3”和“P4”。透镜结构551、552、553和554是具有彼此不同的折射率的结构。即，透镜结构551、552、553和554将每个天线单元“P1”、“P2”、“P3”和“P4”的电磁波的相位信息改变为彼此不同。结果是，具有上述结构的天线500降低了所有天线单元P1、P2、P3和P4之间的相关度。
如上所述，使用透镜结构的天线200、300、400或500可以使各个天线单元之间的干扰最少化。因此，使用透镜结构的天线200、300、400或500可以增加信道容量。此外，使用透镜结构的天线200、300、400或500可以使用具有彼此不同的特性的辐射图案来使用多个信道。当如图7所示提供四个天线单元时，可以使用四个信道。使用透镜结构的天线200、300、400或500可以在四个信道中的每个信道上传输不同的分组。此外，使用透镜结构的天线200、300、400或500可以使用四个信道执行MIMO通信。如果将图7中所示的天线200、300、400或500用于MIMO通信，则透镜结构通过添加相对简单的结构来增大MIMO增益。
图8示出了透镜在透镜天线中的布置的示例。透镜结构可以具有多种形状。为了便于描述，假设透镜结构具有平面结构，例如基板。为了便于描述，图8中示出了一个天线单元和一个透镜结构。
图8(a)示出了例示透镜天线600的结构的示例。透镜天线600包括基板611、天线单元631和透镜结构651。天线单元631具有堆叠在基板611上的平板的形式。透镜结构651具有堆叠在天线单元631上的平板的形式。如图(a)所示，透镜结构651可以被设置为与天线单元接触。
图(b)示出了例示透镜天线700的结构的示例。透镜天线700包括基板711、天线单元731和透镜结构751。天线单元731具有堆叠在基板711上的平板的形式。与图8(a)所示的结构不同，透镜结构751被设置为与天线单元731间隔预定距离d。为了使天线单元731间隔开预定距离，可以使用各种物理结构。例如，如图8(b)所示，柱形结构可以支撑透镜结构751。
此外，天线可以具有三维结构而不是二维结构。图9示出了透镜天线800中的布置的另一示例。图9示出了三维天线的示例。透镜天线800由多个表面构成。一个表面A具有类似于图7(a)所示的透镜天线结构的结构。例如，天线单元P1和P3，即812和815，可以具有相同的极化特性或相同的辐射图案。另外，天线单元P2和P4(即813和814)可以具有彼此相同的极化特性或相同的辐射图案。在这种情况下，透镜结构816可以仅用于天线单元P3和P4(即815和814)。透镜结构816具有透镜结构816仅允许天线单元P3和P4(即815和814)的电磁波穿过的布置。为了便于描述，在图9中仅对一个表面上的天线结构标记了附图标记。
另外，不同于图9，可以在多个表面中的其他表面上具有相似的天线结构。同时，透镜天线800在其他表面上可以具有相同或相似的结构。例如，透镜天线800可以在其每个表面上设置有具有相同结构的天线。另外，为了消除由于三维结构而另外发生的干扰，透镜天线800可以将透镜结构应用于干扰程度高的天线中的任何一个中。
已经描述了具有透镜结构的天线。在具有高MIMO增益(非视距(NLOS)，高散射率)的环境中，上述透镜天线显着增加了信道容量。透镜天线通过称为透镜结构的简单的结构来增加信道容量。透镜天线基于天线单元的辐射图案的相位信息来区分信号。因此，上述透镜天线能够在不改变诸如辐射图案的方向或信号强度之类的物理特性的情况下集成具有低相关度的天线。
本说明书所附的实施例和附图仅是为了清楚地示出上述技术所包括的技术构思的一部分，在上述技术的说明书和附图中包括的技术精神的范围内，本领域技术人员可以容易地推断出的修改的示例和特定实施例将显然包括在上述技术的范围内。

Claims (16)

1.一种包括透镜的天线装置，所述天线装置包括：
多个天线单元；以及
透镜结构，所述透镜结构被配置为改变由所述多个天线单元中的至少一个天线单元发射的电磁波的相位，
其中，所述透镜结构被配置为改变所述相位，以使所述多个天线单元具有彼此不同的辐射图案。
2.根据权利要求1所述的包括透镜的天线装置，其中，所述多个天线单元具有相同的极化特性或相同的辐射图案。
3.根据权利要求1所述的包括透镜的天线装置，其中，所述多个天线单元具有彼此不同的极化特性或彼此不同的辐射图案。
4.根据权利要求1所述的包括透镜的天线装置，其中，所述透镜结构是具有第一参考值以上的介电常数和第二参考值以上的磁导率中的至少一个的电介质。
5.根据权利要求1所述的包括透镜的天线装置，其中，所述透镜结构被附接到所述至少一个天线单元或与所述至少一个天线单元间隔预定距离。
6.根据权利要求1所述的包括透镜的天线装置，其中，针对所述多个天线单元中的至少两个天线单元布置所述透镜结构，并且针对所述至少两个天线单元布置的透镜结构具有彼此不同的折射率。
7.一种使用透镜天线进行通信的方法，所述方法包括以下步骤：
多个天线单元分别发射电磁波；
所述电磁波分别穿过多个透镜结构；以及
将由于穿过所述多个透镜结构而具有改变的相位的电磁波中的至少两个电磁波用作为通信信道，
其中，所述多个透镜结构具有彼此不同的折射率。
8.根据权利要求7所述的使用透镜天线进行通信的方法，还包括：
使用所述至少两个电磁波执行多进多出方式的通信。
9.根据权利要求7所述的使用透镜天线进行通信的方法，其中，所述多个天线单元发射具有相同的辐射图案的电磁波。
10.根据权利要求7所述的使用透镜天线进行通信的方法，其中，所述至少两个电磁波具有彼此不同的辐射图案。
11.根据权利要求7所述的使用透镜天线进行通信的方法，其中，从所述多个天线单元发射的电磁波的相互干扰为参考值以上。
12.根据权利要求7所述的使用透镜天线进行通信的方法，其中，所述至少两个电磁波的辐射图案的相关度降低参考值以上。
13.一种使用透镜天线进行通信的方法，所述方法包括：
多个天线单元分别发射初始电磁波；
从所述多个天线单元发射的初始电磁波中的一部分电磁波穿过透镜结构；以及
将选自所述初始电磁波和由于穿过所述透镜结构而具有改变的相位的电磁波中的至少两个电磁波用作为通信信道。
14.根据权利要求13所述的使用透镜天线进行通信的方法，其中，使用所述至少两个电磁波执行多进多出方式的通信。
15.根据权利要求13所述的使用透镜天线进行通信的方法，其中，所述至少两个电磁波具有彼此不同的辐射图案。
16.根据权利要求13所述的使用透镜天线进行通信的方法，其中，所述至少两个电磁波的辐射图案的相关度降低参考值以上。
CN201880035973.5A 2017-06-30 2018-01-05 包括透镜的天线装置及使用透镜天线的通信方法 Active CN110679037B (zh)

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