CN110854530A - 一种基于f-p腔的四极化mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于F‑P腔的四极化MIMO天线，包括金属地板，底层介质基板，第一、二激励天线，第三、四激励天线，介质腔，上层介质基板，周期性金属贴片；上层介质基板与周期性金属贴片共同组成部分反射表面；部分反射表面、介质腔与金属地板、底层介质基板共同构成F‑P腔；部分反射表面构成F‑P腔的一端，金属地板和底层介质基板构成F‑P腔的另一端；第一、二激励天线，第三、四激励天线设置于介质腔内部。其中第一、二激励天线激励形成一个双极化微带贴片天线；第三、四激励天线激励形成两个正交的电偶极子天线。本发明所提出的技术方案可以充分利用天线结构，获得一种紧凑型、多极化、高增益MIMO天线设计。

Description

一种基于F-P腔的四极化MIMO天线
技术领域
本发明属于天线领域，特别地，涉及一种基于F-P腔的MIMO天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)日益受到人们的关注。MIMO技术是指在收发两端同时采用多个天线，通过信号处理技术，利用无线信道中的多径传播特性，可以建立多个并行的空间子信道，在不增加带宽和发射功率的情况下，可以成倍地高通信系统的频谱效率和信道容量，能够满足人们对大容量高质量通信的需求，因此MIMO技术被认为是未来通信系统中的关键技术。近年来，人们对小型化系统的需求日益提高，采用极化分集技术的紧凑型多极化MIMO系统被提出并被证明可以很好地解决这个问题。传统的空间分集技术需要通过足够大的天线单元间距来获得低耦合特性，而极化分集技术很好的克服了这一缺点，既实现了收发两端多天线系统的设计，又大大地缩减了无线通信系统所需的空间体积。
为了满足5G比4G网络的容量提升1000倍的目标，必须使用更大的带宽，而低频段的频谱资源趋于饱和，因此人们准备在5G移动通信中使用毫米波频段(频率30-300GHz，对应波长1-10mm)。然而，毫米波频段与低频段相比也存在一些重要的问题，如更大的路径损耗，穿透损耗，严重的大气吸收和雨衰等。研究测试表明，当频率提高一倍时，路径损耗将增大6dB。为了对抗毫米波传输中的路径损耗，需要使用由多个天线阵元组成的一个高增益的天线子阵来构成一个MIMO天线单元。
对于单输入单输出(Single-Input Single-Output，SISO)系统，为了提高天线增益，传统方法是利用大口径的反射面天线，或微带、缝隙等结构的阵列天线来实现，如果直接应到MIMO系统中，天线阵的尺寸将随着MIMO端口数和各端口增益的增加而变大，且需要设计复杂的馈电网络，此外在MIMO天线的设计中还要使各个端口之间保持较高的隔离度。因此，如何获得紧凑型、高增益、高隔离度的MIMO天线阵成为MIMO系统设计中具有很大挑战且急于解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于F-P腔的四极化MIMO天线，该天线具有结构紧凑，多极化，高增益，高隔离度的特点。
具体地，提供一种基于F-P腔的四极化MIMO天线，所述天线具有如下结构：金属地板，底层介质基板，四个激励天线，介质腔，上层介质基板，周期性金属贴片；所述上层介质基板与所述周期性金属贴片共同组成部分反射表面；所述部分反射表面、介质腔、金属地板和底层介质基板共同构成F-P腔；所述部分反射表面构成所述F-P腔的一端，所述金属地板和底层介质基板构成所述F-P腔的另一端；所述四个激励天线放置于所述介质腔内部；所述激励天线由四个馈电端口激励得到四种极化分量。
本发明具有如下有益效果：本发明所提出的系统中，在F-P腔的部分反射表面与地板间的介质中放置四个激励天线得到四个极化分量，可以利用同一个F-P腔同时提高四种极化方式的端口激励天线的增益，且在天线尺寸相同时，所述四极化MIMO天线在自由空间中的信道容量增益明显大于单极化MIMO天线。这样在不增加尺寸的情况下，可以充分利用天线结构，获得一种紧凑型、多极化、高增益MIMO天线设计。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
图1为本发明实施例提供的基于F-P腔的四极化MIMO天线结构侧视图。
图2为本发明实施例提供的基于F-P腔的四极化MIMO天线结构俯视图。
图3(a)为本发明实施例提供的基于F-P腔的四极化MIMO天线的S参数图。
图3(b)为本发明实施例提供的基于F-P腔的四极化MIMO天线的隔离度结果图。
图3(c)为本发明实施例提供的基于F-P腔的四极化MIMO天线工作于10.2GHz时的增益结果图。
图4(a)、(b)为本实施例提供的10.2GHz谐振频率下基于F-P腔的四极化MIMO天线端口1、2分别激励时部分反射表面上的磁场分布情况。
图4(c)、(d)为本实施例提供的10.2GHz谐振频率下基于F-P腔的四极化MIMO天线端口3、4分别激励时部分反射表面上的电场分布情况。
图5为不加F-P腔的微带贴片天线与电偶极子天线工作于10.2GHz时的增益结果图。
图6为本发明实例提供的基于F-P腔的单极化MIMO天线结构侧视图。
图7为本发明实例提供的基于F-P腔的单极化MIMO天线结构俯视图。
图8(a)为本发明实例提供的基于F-P腔的单极化MIMO天线的S参数图。
图8(b)为本发明实例提供的基于F-P腔的单极化MIMO天线的隔离度结果图。
图8(c)为本发明实例提供的基于F-P腔的单极化MIMO天线工作于10.2GHz时的增益结果图。
图9为本发明实施例提供的基于F-P腔的单极化MIMO天线与四极化MIMO天线工作于10.2GHz时的信道容量增益对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：
如图1所示，其提出了一种基于F-P腔的四极化MIMO天线，其中，所述天线包括，金属地板11，底层介质基板12，第一、二激励天线13，第三、四激励天线14，介质腔15，上层介质基板16，周期性金属贴片17。在所述天线中，第一、二激励天线13可以为矩形微带贴片天线，第三、四激励天线14可以为领结型电偶极子天线。在所述天线中，上层介质基板16与周期性金属贴片17组成部分反射表面。所述介质腔15位于金属地板11、底层介质基板12与部分反射表面之间，并组成F-P腔结构。F-P腔利用电磁波在腔体中的多次反射，当腔体高度符合一定谐振距离时，穿透过部分反射表面的电磁波可以同向叠加，从而提高了天线的增益、方向性、锐化波束宽度。与传统抛物面、天线阵等高增益天线相比，F-P腔尺寸远小于传统高增益天线，且加工简单，也不需要设计复杂的馈电网络。
所述F-P腔中放置四个馈电端口18。其中第1、2馈电端口分别激励第一、二激励天线形成一个双极化微带贴片天线，得到两个正交的的磁场分量；第3、4馈电端口分别激励第三、四激励天线形成两个正交的电偶极子天线，得到两个正交的电场分量。上述四个激励天线构成四极化MIMO天线，且可以利用同一个F-P腔来提高四种极化方式的端口激励天线的增益。
图2为基于F-P腔的四极化MIMO天线结构的俯视图，周期性金属贴片采用正方形形状，并采用8*8的周期分布构成阵列，其与上层介质基板一起构成部分反射表面。
具体地，底层介质基板和上层介质基板的大小相同，底层介质基板采用相对介电常数为2.55的雅龙AD255A，上层介质基板采用介电常数为2.2的罗杰斯5880。
具体地，部分反射表面由频率选择表面(Frequency selective surface，FSS)组成，频率选择表面包括周期性分布的金属贴片单元，金属贴片单元可以采用矩形、圆形或是环形等形状，设计频率满足天线工作频段。
具体地，第三、四激励天线14的高度为谐振腔15高度的一半，这是因为第三、四激励天线14为两个平行于金属地板11放置的电偶极子天线，根据镜像理论，水平电流元的镜像为理想导电平面另一侧对称位置处的等幅反向电流元，因此第三、四激励天线14与金属地板11需要一定距离，经过仿真优化后，得到当第三、四激励天线14所在高度为谐振腔15高度一半时，可以得到最大增益，需要说明的是，上述表述的所述第三、四激励天线14在所述谐振腔15中的位置是本说明书中较佳的实施例，所述第三、四激励天线14在谐振腔15中的其他位置也在本申请的保护范围内。
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为本实施例中所述天线的S参数、隔离度与天线工作于10.2GHz时的增益结果。
从图3(a)和图3(b)看出本实施例中天线在工作频段内，各个端口间有较好的隔离度。
图4(a)、(b)分别为10.2GHz谐振频率下端口1、2分别激励时，部分反射表面上磁场的分布情况，图4(c)、(d)分别为10.2GHz谐振频率下端口3、4分别激励时，部分反射表面上电场的分布情况。从图中可以看出，所述天线可以得到四种极化方式。
为了验证前述天线的性能，本实施例中进一步给出所述天线的增益情况和信道容量增益结果。
作为对比，图5为本实施例中不添加F-P腔的微带贴片天线和电偶极子天线工作于10.2GHz时的增益结果。从图3(c)和图5的对比中可以看出，本发明提出的基于F-P腔的MIMO天线每个端口的增益都可以达到15dBi以上，而在没有F-P腔时，微带贴片天线和电偶极子天线的增益大约只有7dBi和2.5dBi。如果想得到同样的增益，采用传统微带贴片天线大约需采用8元阵，而传统电偶极子则需要大约16元阵，可见，在相同增益的情况下，本实施例的天线结构更加紧凑，且不需要设计复杂的馈电网络，大大地降低了生产成本和加工难度。
此外，本实施例中还提供一种基于F-P腔的单极化天线作为对比，其F-P腔结构与本实施例所述完全相同，但馈源天线采用4个相同极化方式的微带天线。如图6所示，所述天线包括如下结构：金属地板61，底层介质基板62，四个馈电端口63，四个单极化激励天线64，介质腔65，上层介质基板66，周期型金属贴片67。在所述结构中，上层介质基板66和周期性金属贴片67组成部分反射表面,所述介质腔65位于金属地板61、底层介质基板62与部分反射表面之间，并组成F-P腔结构。介质腔65中放置4个同一极化方式的激励天线64，构成MIMO天线的多个端口，从而组成MIMO天线，且可以利用同一个F-P腔提高所有端口天线的增益。
图7为基于F-P腔的单极化MIMO天线结构的俯视图，部分反射面结构与所述实施例中相同。
图8(a)、图8(b)、图8(c)分别为本实施例所提供的基于F-P写腔的单极化MIMO天线的S参数、隔离度与工作于10.2GHz时的增益结果。
图9为基于F-P腔的单极化与四极化MIMO天线工作于10.2GHz时在自由空间中信道容量增益的对比结果。其中，信道容量增益为平均信噪比相同时(SNR＝20dB)，MIMO天线与单天线系统的信道容量之比。从图9中可以看出,在所利用的F-P腔结构完全相同的情况下，采用四种极化方式的MIMO天线信道容量增益明显大于单极化MIMO天线，且随收发天线距离的增加，单极化MIMO天线的信道容量增益下降速度明显大于四极化MIMO天线，这是因为，采用单极化的天线阵若想获得理想的信道容量增益，需要天线阵元的间距足够远，在多径丰富的情况下通常需要半个波长以上，而在多径稀疏的自由空间中，甚至需要达到5-10个波长。而本实施例中所提供的F-P腔尺寸仅为80mm×80mm×15mm(2.7λ0×2.7λ0×0.5λ0，λ0为自由空间波长)远小于单极化天线阵元所需间距。采用极化分集技术的MIMO天线可以很好地解决这个问题，能够在天线元间距较小的情况下得到较高的信道容量增益。因此在天线尺寸相同时，本实施例中提供的基于F-P腔的四极化天线可以获得更高的信道容量增益，有效的缩减了MIMO天线系统的尺寸。
虽然基于F-P腔结构的天线已经被广泛地应用于高增益天线设计中，但这些设计多针对于单输入单输出系统，而在本发明提出的结构中，在F-P腔的部分反射表面和地板之间放置了四个不同极化方式的天线元，且可以通过同一个F-P腔同时提高四种极化天线的增益。这样在原单端口高增益F-P腔天线或单极化多端口F-P腔天线的基础上，在不增加天线尺寸的前提下，可以更充分地利用天线空间，获得一种紧凑型、多端口、多极化的高增益MIMO天线设计方案。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于F-P腔的四极化MIMO天线，其特征在于，所述天线具有如下结构：
金属地板(11)，底层介质基板(12)，第一、二激励天线(13)，第三、四激励天线(14)，介质腔(15)，上层介质基板(16)，周期性金属贴片(17)；
所述上层介质基板(16)与所述周期性金属贴片(17)共同组成部分反射表面(Partially Reflective Surface，PRS)；
所述部分反射表面、介质腔(15)与金属地板(11)、底层介质基板(12)共同构成F-P腔；所述部分反射表面构成所述F-P腔的一端，所述金属地板(11)和底层介质基板(12)构成所述F-P腔的另一端；
所述第一、二激励天线(13)，第三、四激励天线(14)设置于所述介质腔(15)内部。其中第一、二激励天线(13)激励形成一个双极化微带贴片天线，得到两个正交的磁场分量；第三、四激励天线(14)激励形成两个正交的电偶极子天线，得到两个正交的电场分量。
2.根据权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，所述激励源由所述四个馈电端口(18)施加，每个馈电端口(18)对应一个激励源。
3.根据权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，第一、二激励天线(13)为微带贴片天线，第三、四激励天线(14)为电偶极子天线。
4.根据权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，所述周期性金属贴片(17)为矩形或圆形。
5.根据权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，所述周期性金属贴片(17)为周期性的阵列形式。
6.根据权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，介质腔(15)高度为所述天线中心频率所对应波长的一半。
7.根据权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，第三、四激励天线(14)高度为所述介质腔(15)高度的一半。
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