CN112086738A - 一种全向室分mimo天线 - Google Patents

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刘嘉麟
孟宪锟
邱钧
王丽芳
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Abstract

本发明实施例提供一种全向室分MIMO天线，全向室分MIMO天线包括：垂直极化天线单元和水平极化天线单元；垂直极化天线单元包括三个中心对称且垂直设置的辐射贴片、圆形耦合贴片和耦合环，圆形耦合贴片设置于三个辐射贴片的顶端，耦合环固定于地板上，且三个辐射贴片的底部位于耦合环的内部并固定于地板上；水平极化天线单元包括多组中心对称排列的偶极子和分别与每组偶极子对应设置的印刷功分器，且偶极子印刷于环形介质的第一板面上，印刷功分器印刷于环形介质的与第一板面相对的第二板面上，环形介质通过多个螺栓垂直固定于圆形耦合贴片上。本发明实施例降低了现有室分MIMO天线的高度的同时，使得天线具有良好的全向辐射性能。

Description

一种全向室分MIMO天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种全向室分MIMO天线。
背景技术
室内分布系统在移动通信网络中扮演着极其重要的角色，为了进一步提升室分网络的性能，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术发挥了重要作用。MIMO技术要求在系统发射和接收两端均采用多天线技术，利用多个天线或者具有多种极化方式的天线进行信号的发射与接收，并利用空间资源及无线信道的多径，建立并行的传输通道，实现多收多发的通信模式。MIMO技术能够大幅提升信道容量、提高频谱利用率、消除极化失配、增加分集增益，具有明显的性能优势；与此同时，室内电磁环境错综复杂，多种通信系统并存，例如全球移动通信系统、分布式控制系统、时分-同步码分多址、TD-LTE和无线局域网等多系统并存，多系统之间的干扰问题日益突出，MIMO技术同样是有效解决该些问题的技术途径。
但是，由于大多数室分天线都安装在室内环境，如隐藏在室内天花板上。这便对室分天线的体积和外观设计提出了更高的要求，因此如何在降低天线高度的同时，实现良好的MIMO辐射性能是室分天线研究的关键。
发明内容
本发明实施例提供一种全向室分MIMO天线，以实现在降低天线高度的同时，实现良好的MIMO辐射性能。
本发明实施例提供一种全向室分多输入多输出MIMO天线，全向室分MIMO天线包括：
垂直极化天线单元和水平极化天线单元；其中，
所述垂直极化天线单元包括三个中心对称且垂直设置的辐射贴片、圆形耦合贴片和耦合环，其中所述圆形耦合贴片设置于三个辐射贴片的顶端，所述耦合环固定于地板上，且所述三个辐射贴片的底部位于所述耦合环的内部并固定于地板上；所述水平极化天线单元包括多组中心对称排列的偶极子和分别与每组偶极子对应设置的印刷功分器，且所述偶极子印刷于环形介质的第一板面上，所述印刷功分器印刷于所述环形介质的与第一板面相对的第二板面上，所述环形介质通过多个螺栓垂直固定于所述圆形耦合贴片上。
可选地，所述垂直极化天线单元还包括三个金属短路贴片，其中所述三个金属短路贴片的一端均与所述圆形耦合贴片的边缘连接，且所述三个金属短路贴片的另一端均固定于所述地板上。
可选地，所述垂直极化天线单元还包括倒锥形馈电结构，其中所述倒锥形馈电结构的尖端部固定于地板上，所述三个辐射贴片的底部均与所述倒锥形馈电结构的平面端部连接，且所述倒锥形馈电结构的尖端部通过电缆与位于地板下方的第一N型接头连接。
可选地，所述水平极化天线单元还包括分别与每组偶极子对应设置的寄生枝节，其中所述寄生枝节设置于所述环形介质的第二板面的边缘位置处。
可选地，所述水平极化天线单元还包括设置于所述环形介质上的馈电点，其中所述馈电点通过电缆与位于所述地板下方的第二N型接头连接。
可选地，所述垂直极化天线单元的工作带宽为0.86GHz-5.62GHz，所述水平极化天线单元的工作带宽为1.62GHz-2.71GHz。
可选地，所述垂直极化天线单元的高度为56mm，且所述全向室分MIMO天线的总高度为79mm。
可选地，所述环形介质的材料为FR4，厚度为1.5mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
本发明实施例提供的全向室分MIMO天线，包括垂直极化天线单元和水平极化天线单元，其中垂直极化天线单元中三个辐射贴片的顶端设置圆形耦合贴片，且将三个辐射贴片的底部设置于固定在地板上的耦合环的内部，水平极化天线单元包括多组中心对称排列的偶极子和分别与每组偶极子对应设置的印刷功分器，且偶极子和印刷功分器分别印刷在环形介质的两个板面上，环形介质通过多个螺栓垂直固定于圆形耦合贴片上，实现了通过在辐射贴片的两端分别设置圆形耦合贴片和耦合环，降低MIMO天线的高度，扩展天线带宽，并实现了结合水平极化天线单元中环形介质两个板面上分别设置偶极子和印刷功分器，扩展水平极化天线带宽，且使得垂直极化天线单元和水平极化天线单元在水平面上均具有良好的全向辐射性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中垂直极化天线单元的结构示意图；
图2为本发明实施例中水平极化天线单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中全向室分MIMO天线的剖面结构示意图；
图4为本发明实施例中的垂直极化天线单元与其他不同垂直极化天线单元的回波损耗曲线比较图；
图5为本发明实施例中水平极化天线单元的回波损耗曲线及端口间隔离度曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现有技术中，MIMO技术是有效解决多系统间干扰问题的有效技术途径，且能够大幅升信道容量、提高频谱利用率、消除极化失配、增加分集增益，具有明显的性能优势，但是由于大多数室分MIMO天线都安装在室内环境，因此如何实现天线与室内环境的和谐一致，减小天线的轮廓高度，并且同时使得天线具有良好的辐射性能，是室分天线研究的关键。
基于此，为了降低室分MIMO天线的高度，并且使得室分MIMO天线具有良好的辐射性能，本实施例提供一种全向室分MIMO天线。
具体的，如图1-3所示，本发明实施例提供一种全向室分MIMO天线，该全向室分MIMO天线包括：
垂直极化天线单元和水平极化天线单元；其中，
所述垂直极化天线单元包括三个中心对称且垂直设置的辐射贴片11、圆形耦合贴片12和耦合环13，其中所述圆形耦合贴片12设置于三个辐射贴片11的顶端，所述耦合环13固定于地板14上，且所述三个辐射贴片11的底部位于所述耦合环13的内部并固定于地板14上；所述水平极化天线单元包括多组中心对称排列的偶极子21和分别与每组偶极子21对应设置的印刷功分器22，且所述偶极子21印刷于环形介质23的第一板面上，所述印刷功分器22印刷于所述环形介质23的与第一板面相对的第二板面上，所述环形介质23通过多个螺栓3垂直固定于所述圆形耦合贴片12上。
具体的，参见图1，垂直极化天线单元包括的三个辐射贴片11中心对称排列且相互间隔120度，且辐射贴片11可以为三角形状，并且在三个辐射贴片11的顶端设置有圆形耦合贴片12，在三个辐射贴片11的底部设置有耦合环13，其中，该耦合环13直接焊接于地板14上，且三个辐射贴片11的底部设置于耦合环13的内部。这样，通过在三个辐射贴片的顶端设置圆形耦合贴片，使得全向室分MIMO天线在低频段的工作带宽得到了扩展，并且有效降低了垂直极化天线单元的高度，使得垂直极化天线单元的高度仅为56mm，从而为实现双极化MIMO天线整体的低剖面结构特性提供了基础；此外，通过在三个辐射贴片的底部设置耦合环，提升了全向室分MIMO天线在高频段的阻抗匹配状态；另外，基于三个辐射贴片的外轮廓为三角形状，并且电流主要沿着辐射贴片的外轮廓边缘分布，这使得该垂直极化天线单元的辐射原理等效于单锥天线或者单极子天线。
另外，具体的，参见图2，水平极化天线单元中，环形介质23的第一板面上设置有多组中心对称排列的偶极子21，具体的，环形介质23的第一板面(图2中环形介质的反面)上可以设置有5组中心对称排列的偶极子21(指图2中21所指示的环形介质反面的T形结构)，此时对应的，环形介质23的第二板面(图2中环形介质的正面)上设置有5组中心对称排列的印刷功分器22(指图2中22指示的环形介质正面的U形结构)，且该5组印刷功分器22中的每一组分别与5组偶极子中的每一组相对设置，从而使得5路印刷功分器能够为5组偶极子提供等幅同相的馈电，从而在水平面得到全向辐射方向图。
另外，具体的，参见图3，环形介质23通过多个螺栓3垂直固定于圆形耦合贴片22上，即水平极化天线单元通过多个螺栓垂直固定于垂直极化天线单元的正上方，以实现水平极化天线单元和垂直极化天线单元的组合，得到全向室分MIMO天线。具体的，多个螺栓的数量可以为3个。
这样，本实施例通过在垂直极化天线单元中设置辐射贴片，且在辐射贴片的顶端和底部分别设置圆形耦合贴片和耦合环，扩展了天线带宽，降低了垂直极化天线的高度，从而降低了MIMO天线的整体高度；此外，通过在水平极化天线单元中环形介质两个板面上分别设置偶极子和印刷功分器，实现了扩展水平极化天线单元的带宽，且使得垂直极化天线单元和水平极化天线单元在水平面上均具有良好的全向辐射性能。
此外，进一步地，继续参见图1和图3，垂直极化天线单元还包括三个金属短路贴片15，其中所述三个金属短路贴片15的一端均与所述圆形耦合贴片12的边缘连接，且所述三个金属短路贴片15的另一端均固定于所述地板14上。
具体的，三个金属短路贴片15可以间隔120度的固定在圆形耦合贴片12的边缘位置上，以提高圆形耦合贴片通过三个金属短路贴片固定在地板上时的稳定度。
此外，进一步地，参见图1和图3，垂直极化天线单元还包括倒锥形馈电结构16，其中所述倒锥形馈电结构16的尖端部固定于地板14上，所述三个辐射贴片11的底部均与所述倒锥形馈电结构16的平面端部连接，且所述倒锥形馈电结构16的尖端部通过电缆与位于地板14下方的第一N型接头17连接。
具体的，垂直极化天线单元通过倒锥形馈电结构完成激励，该倒锥形馈电结构16的上端为圆形平面端，下端为尖端。此外，具体的，电缆可以为特性阻抗为50欧姆的标准同轴电缆。在本实施例中，三个辐射贴片11的底部通过倒锥形馈电结构16固定于地板14上，即倒锥形馈电结构16的平面端部(即上端部)与三个辐射贴片11的底部连接，倒锥形馈电结构16的尖端部(即下端部)固定于地板14上，且倒锥形馈电结构16的尖端部通过电缆与位于地板14下方的第一N型接头17连接，形成垂直极化天线的垂直极化端口。
此外，在此需要说明的是，垂直极化天线单元中的各个部件，如辐射贴片、圆形耦合贴片、耦合环和金属短路贴片等可以采用厚度为0.5mm的铜材料加工而成。
另外，具体的，地板14的半径可以为85mm，圆形耦合贴片12的半径可以为51mm，耦合环13的半径可以为17.5mm，倒锥形馈电结构的平面端部半径可以为11mm。
另外，具体的，垂直极化天线单元的工作带宽可以为0.86GHz-5.62GHz，且垂直极化天线单元的高度为56mm，这相较现有技术中的单极天线而言，扩展了天线带宽的同时，降低了垂直极化天线单元的高度。
此外，进一步地，继续参见图2，水平极化天线单元还包括分别与每组偶极子21对应设置的寄生枝节24，其中所述寄生枝节24设置于所述环形介质23的第二板面的边缘位置处。
具体的，通过在环形介质23的第二板面边缘位置处，即印刷功分器22所在板面的边缘位置处设置与每组偶极子21对应的寄生枝节24，使得每组寄生枝节24与每组偶极子21相对设置，从而实现了改善水平极化天线单元的阻抗匹配特性。
具体的，环形介质的材料可以为FR4，厚度可以为1.5mm，相对介电常数可以为4.4，损耗角正切可以为0.02。
另外，进一步地，继续参见图2和图3，水平极化天线单元还包括设置于所述环形介质23上的馈电点25，其中所述馈电点25通过电缆与位于所述地板14下方的第二N型接头26连接。
具体的，环形介质23上设置有馈电点25，水平极化天线单元可以通过该馈电点25和电缆进行馈电，其中电缆可以为一段特性阻抗为50欧姆的标准同轴电缆。具体的，电缆的一端与馈电点25连接，且另一端可以穿过地板14与位于地板14下方的第二N型接头26连接，形成水平极化天线单元的水平极化端口。当然，为了保证电缆的固定牢固性，可以直接将该电缆固定于垂直极化天线单元中的其中一个金属短路贴片15上，以增加电缆的固定牢固性。
此外，具体的，水平极化天线单元的工作带宽可以为1.62GHz-2.71GHz，且全向室分MIMO天线的总高度为79mm，即在将环形介质通过多个螺栓垂直固定于圆形耦合贴片上组合为全向室分MIMO天线时，全向室分MIMO天线的高度为79mm；这相较于现有技术而言，在很大程度上降低了MIMO天线的高度，且扩展了水平极化天线单元的带宽。此外，垂直极化天线单元的工作带宽为0.86GHz-5.62GHz，水平极化天线单元的工作带宽为1.62GHz-2.71GHz，使得本实施例中的全向室分MIMO天线能够全面覆盖GSM、分布式控制系统(简称DCS)、时分-同步码分多址(简称TD-SCDMA)、TD-LTE、宽带码分多址(简称WCDMA)、CDMA2000、WLAN及全球微波互联接入(简称WiMAX)等通信频段，提高了天线的覆盖度。
下面基于上述垂直极化天线单元和水平极化天线单元的结构，对本实施例中的全向室分MIMO天线的效果进行具体说明。
具体的，参见图4，为本实施例中垂直极化天线单元与其他不同垂直极化天线单元之间的回波损耗曲线比较图。图2分别给出了缺少圆形耦合贴片的垂直极化天线单元的回波损耗曲线(指图4中在频率0.8GHz时回波损耗值处于最高点的实线曲线)、缺少耦合环的垂直极化天线单元的回波损耗曲线(指图4中除指示缺少圆形耦合贴片的实线曲线之外的另一条实线曲线)以及本实施例中的垂直极化天线单元的回波损耗数值随频率变化的曲线，其中本实施例中的垂直极化天线单元的回波损耗数值随频率变化的曲线包括仿真曲线和实测曲线。通过图2对比可知，当通过在垂直极化天线单元中的辐射贴片顶端加载圆形耦合贴片时，天线在低频段的工作带宽明显得到扩展，且有效降低了垂直极化天线单元的高度，这对实现双极化MIMO天线的整体低剖面结构特性提供了基础；此外，通过在垂直极化天线单元中的辐射贴片底部加载耦合环，提升了天线在高频段的阻抗匹配状态。
此外，具体的，参见图5，图5示出了水平极化天线单元的仿真和实测回波损耗曲线以及实现端口间隔离度曲线。通过图5可知，水平极化天线单元的仿真回波损耗曲线和实测回波损耗曲线吻合度较高，且实测回波损耗曲线表明，该水平极化天线单元的工作带宽范围为1.62GHz-2.71GHz，且水平极化天线单元的端口和垂直极化天线单元的端口之间的隔离度保持在26dB以上。
另外，具体的，在此还需要说明的是，通过垂直极化天线单元在0.9GHz、1.8GHz、2.7GHz、3.5GHz和5.5GHz的水平面方向图以及水平极化天线单元在0.9GHz、1.8GHz和2.7GHz的水平面方向图，可以得出该全向室分MIMO天线的垂直极化天线单元和水平极化天线单元的水平面方向图均表现出全向辐射的特性，且在测量范围内，水平极化天线单元和垂直极化天线单元水平面方向图的交叉极化比高于15dB。
这样，本实施例通过将垂直极化天线单元和水平极化天线单元组合为全向室分MIMO天线，且在垂直极化天线单元中设置三个中心对称且垂直设置的辐射贴片，在辐射贴片的顶端和底部分别加载圆形耦合贴片和耦合环，并在水平极化天线单元中的环形介质的两个板面上分别设置偶极子和功分器，使得显著降低了MIMO天线的整体高度，具有较宽的工作频段，进而覆盖较多的通信频段，并使得垂直极化和水平极化在水平面上均具有良好的全向辐射性，以及使得MIMO天线在工作频段内具有良好的交叉极化比指标和隔离度指标，且结构简单，易于加工。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种全向室分多输入多输出MIMO天线，其特征在于，全向室分MIMO天线包括：
垂直极化天线单元和水平极化天线单元；其中，
所述垂直极化天线单元包括三个中心对称且垂直设置的辐射贴片、圆形耦合贴片和耦合环，其中所述圆形耦合贴片设置于三个辐射贴片的顶端，所述耦合环固定于地板上，且所述三个辐射贴片的底部位于所述耦合环的内部并固定于地板上；所述水平极化天线单元包括多组中心对称排列的偶极子和分别与每组偶极子对应设置的印刷功分器，且所述偶极子印刷于环形介质的第一板面上，所述印刷功分器印刷于所述环形介质的与第一板面相对的第二板面上，所述环形介质通过多个螺栓垂直固定于所述圆形耦合贴片上。
2.根据权利要求1所述的全向室分MIMO天线，其特征在于，所述垂直极化天线单元还包括三个金属短路贴片，其中所述三个金属短路贴片的一端均与所述圆形耦合贴片的边缘连接，且所述三个金属短路贴片的另一端均固定于所述地板上。
3.根据权利要求1所述的全向室分MIMO天线，其特征在于，所述垂直极化天线单元还包括倒锥形馈电结构，其中所述倒锥形馈电结构的尖端部固定于地板上，所述三个辐射贴片的底部均与所述倒锥形馈电结构的平面端部连接，且所述倒锥形馈电结构的尖端部通过电缆与位于地板下方的第一N型接头连接。
4.根据权利要求1所述的全向室分MIMO天线，其特征在于，所述水平极化天线单元还包括分别与每组偶极子对应设置的寄生枝节，其中所述寄生枝节设置于所述环形介质的第二板面的边缘位置处。
5.根据权利要求1所述的全向室分MIMO天线，其特征在于，所述水平极化天线单元还包括设置于所述环形介质上的馈电点，其中所述馈电点通过电缆与位于所述地板下方的第二N型接头连接。
6.根据权利要求1所述的全向室分MIMO天线，其特征在于，所述垂直极化天线单元的工作带宽为0.86GHz-5.62GHz，所述水平极化天线单元的工作带宽为1.62GHz-2.71GHz。
7.根据权利要求1所述的全向室分MIMO天线，其特征在于，所述垂直极化天线单元的高度为56mm，且所述全向室分MIMO天线的总高度为79mm。
8.根据权利要求1所述的全向室分MIMO天线，其特征在于，所述环形介质的材料为FR4，厚度为1.5mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
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