CN112103625B - 一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列及组阵方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种MassiveMIMO天线阵列以及天线阵列组阵方法。该天线阵列包括多个由3个辐射单元组成的子阵，所述子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，所述各辐射单元边缘使用腔体隔离，所述子阵错位排布。该天线阵列结构新颖，通过简单的设置实现水平、垂直向的3维波束扫描能力且具有高隔离、低副瓣性能，有效地提高通信系统的容量以及通信质量，可满足5G通信的高效数据传输要求。

Description

一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列及组阵方法

技术领域

本发明属于通信领域，特别适用于5G通信场合；本发明具体涉及到一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列以及所述天线阵列的组阵方法。

背景技术

作为下一代无线通讯技术，5G无线系统以其超高的数据传输速率成为研究的热点。随着5G通信的不断发展，新型天线传输技术成为了支持5G通信所必不可少的重要组成部分。一个很明显的事实是，在数据流量的需求不断增加的同时，可利用的频谱资源并不会增加。因此，在满足迅速增长的无线数据流量的情况下保证通信的可靠性，是目前满足通信需求所亟需解决的问题。在无线通信系统中，要求天线具有方向性强、增益高、旁瓣低、波束扫描等特殊性能以满足某些用途。一般单个辐射单元难以满足这些需求，因此，需要将多个单元按一定规律排列组成阵列天线，即利用多输入多输出(MIMO)天线。

传统的利用阵列天线的波束赋形技术仅仅利用了水平维度信息，通过调整固定的下倾角进行波束赋形，这样就造成了相同角度信息用户之间的干扰，不能针对不同用户进行通信传输，通信质量较差。传统的波束赋形技术对用户角度信息的利用仅仅局限在方位角，指向性较差，用户的接收信号强度低。虽然三维波束赋形技术可增添垂直维度信息，增加一个新的空间自由度，提高系统的干扰抑制及干扰协调能力，但三维波束赋形的天线阵列结构复杂，使用成本较高。传统MIMO LTE基站天线组阵方式最多采用4*4MIMO技术，不具备水平、垂直向的3维波束扫描能力。同时传统MIMO LTE基站天线采用固定波束，在组阵方式上采用各振子单元齐平排布；虽然该方式实现简单，对馈电网络的设计要求也较低，但不适用于波束大角度波束扫描的天线阵列，考虑到齐平排布致使相位跳变幅度大，进而对波束扫描带来高副瓣影响。

为了进一步解决上述问题发展出了大规模MIMO(Massive MIMO)技术，其采用大量天线来服务数量相对较少的用户，可以有效提高频谱效率。大规模MIMO通过在基站侧部署大量的天线，提供足够的空间自由度，以深度挖掘并利用空间维度无线资源，同时引入能量效率优先的系统优化准则，从而解决未来移动通信的频谱效率问题及功率和能耗效率问题。Massive MIMO强调天线阵列的天线单元数量足够大，并没有对天线阵列的形态进行定义。Massive MIMO在实际应用时，由于基站的部署空间有限等实际因素限制，当基站安装的天线规模增大后，线性天线阵列部署成本将大大增加。现有的MIMO传输方案只局限在水平维度，并没有充分利用垂直维度的自由度，没有充分发挥出MIMO技术的全部优势。如中国科学院微电子研究所的郑占旗等在CN108777372A公开了一种高增益相控阵微带天线，该天线包括微带天线阵列和罩设在微带天线阵列上方的微波透镜，利用微波透镜对电磁波的折射汇聚特性来提高天线阵列的增益，继而通过控制天线阵列中各激励端口的幅度和相位，实现波束扫描，最终实现以小规模相控阵天线达到大规模相控阵天线的高增益和波束控制能力，但其结构复杂，不具备水平、垂直三维波束扫描能力。

实现大规模天线阵列是应用Massive MIMO系统的基础，如果单纯基于传统的一维线阵形式是无法支持这一技术的，急剧增加的天线规模将导致天线阵列面积的迅速增大，给基站的选址及天线阵列的安装增加了难度，尤其是在室内站点部署上，将无法满足实际应用需求。因此通过引入二维有源天线阵列(例如，均匀平面阵列，均匀柱阵列以及均匀圆形阵列等)，将大量的天线放置在一个二维平面上，大幅度降低了阵列面积并可以通过数字接口独立的控制每个阵子，是解决大规模天线阵列物理尺寸限制，实现Massive MIMO系统的有效解决方案。采用二维平面阵列，基站不仅可以利用二维天线阵列的阵列增益，而且能够在水平和垂直两个维度内控制波束方向，形成新颖的全维度MIMO系统，从而提升了三维空间的分辨率，增加了用户接收信号功率并且能够有效的降低小区间干扰。

尽管Massive MIMO研究较成熟，但对于二维有源天线阵列的Massive MIMO系统如何设计高效的波束赋形方案来有效利用水平维和垂直维的空间分辨率，即高隔离、低副瓣Massive MIMO天线阵列以及组阵方法鲜有研究。

发明内容

天线是无线通讯设备的重要部件，而Massive MIMO又是5G通讯基站的核心部件之一，为了解决现有技术中不能针对不同用户进行通信传输，通信质量差、3D MIMO结构复杂等缺点，本发明提供一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列以及天线阵列组阵方法，该天线阵列包括多个由3个辐射单元组成的子阵，所述子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，所述各辐射单元边缘使用金属板腔体隔离，提高天线阵列的隔离度，减少了各端口之间相互影响，各子阵在垂直方向错位0.75倍波长错位排布，子阵内部金属板底部开槽，避开馈电走线，具有较低副瓣以及较高增益，同时该天线阵列组阵方式简单、易加工且性能优良，在未来的5G通讯设备市场中具有非常大的经济价值。

本发明是以如下技术方案实现的：

一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列，该MassiveMIMO天线阵列包括多个由3个辐射单元组成的子阵，所述子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，所述各辐射单元边缘使用腔体隔离，所述子阵错位排布。

进一步地，所述腔体由金属板构成，子阵内部金属板底部开槽，避开馈电走线。所述子阵错位排布为各子阵垂直方向错位0.75倍波长。

进一步地，所述MassiveMIMO天线阵列由64个所述子阵错位排布组成，所述MassiveMIMO天线阵列单极化波束扫描由32个端口控制，其中水平向由8个端口控制波束扫描，垂直向由4个端口控制波束扫描，所述子阵预置下倾角为6°。

进一步地，该MassiveMIMO天线阵列在3.5GHZ下，水平面±50°、垂直面±13°的宽扫描角度内副瓣抑制在12dB以上，增益波动为28dBi，该MassiveMIMO天线阵列端口隔离在5dB以上。

一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列组阵方法，该方法包括如下步骤：1)、将3个辐射单元组成子阵，各辐射单元边缘使用金属板腔体隔离，所述子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长；2)将若干所述子阵错位排布，即可得到高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列。

进一步地，所述子阵错位排布为各子阵垂直方向错位0.75倍波长。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种结构新颖、高隔离、低副瓣性能的Massive MIMO天线阵列及其组阵方法，其具有如下有益效果：

首先提出了一种结构新颖的Massive MIMO天线阵列。该天线阵列可以同时形成8个广播波束，水平向扫描±45°范围，垂直向扫描±13°；业务波束可在水平面±60°，垂直面±13°内扫描,可实现3维的波束扫描，满足复杂场景下的基站对终端的下行通讯。在3.5GHZ下在较宽扫描角度内副瓣抑制在12dB以上，增益波动在3dBi以内，最高为28dBi，可有效降低天线阵列副瓣能量，提高超宽带指标，提高通信系统的容量。

其次提出了一种简单的低成本的MassiveMIMO天线阵列组阵方法，通过简单的设置实现水平、垂直向的3维波束扫描能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的带隔离腔体的子阵结构示意图；

图2是本发明实施例提供的带隔离腔体的子阵(a)与不带隔离腔体的子阵(b)端口宽频S参数测试图；

图3是本发明实施例中两个错位排布子阵的馈电结构示意图；

图4是本发明实施例中预置6°下倾角的子阵水平方向图；

图5是本发明实施例中未进行预置下倾角设计的子阵水平方向图；

图6是本发明实施例中192单元阵列结构示意图；

图7是本发明实施例中192单元阵列水平方向图(a)和垂直方向图(b)；

图8是本发明实施例中192单元阵列水平面宽频波束扫描增益图。

具体实施方式

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作进一步地详细描述，为了便于对本发明实施例进行准确的详述，在实施例伊始，对相关背景技术和相关术语进行简介。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术：指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。MIMO天线技术是长期演进技术(Long Term Evolution，LTE)以及第五代移动通信技术(5G)关键技术之一，在未来基站与终端中，MIMO同频天线数量仍会持续增加以满足不断增长的吞吐量需求。

Massive MIMO:Massive MIMO就是在基站侧配置远多于现有的系统的大规模天线阵列的MU-MIMO，来同时服务多个用户，也称为Large Scale MIMO,Massive MIMO技术以3DMIMO为基础，使用更大规模的天线阵列，具有更高的传输效率，目前己经成为5G的关键技术，其特点有：大量收发信机、空间复用特性、多用户调度(MU-MIMO)、上下行方向上的大量高增益天线阵列。

相控阵列：即相位控制电子扫描天线阵列，利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。

隔离度：表征两个端口互相的干扰程度，在双极化天线中，隔离度表示不同极化之间的隔离程度，隔离越高表示耦合越小，耦合越小性能越高。S21是表征天线耦合大小的重要指标之一，S21的幅值越小，耦合越小，隔离度越高。通常可以用S21表征极化隔离程度。

副瓣电平：与主瓣相邻的第一副瓣一般是电平最高的副瓣,其最大方向电平和主瓣最大方向电平之差称为副瓣电平。

本发明实施例的一个重要实施场景即为Massive MIMO天线阵列，为了得到符合5G建设标准的Massive MIMO天线阵列，该天线阵列结构新颖、具有高增益、高隔离、低副瓣性性能。本发明还提供了一种具有上述性能的Massive MIMO天线阵列组阵方法，基于所述组阵方法实现水平、垂直向的3维波束扫描能力，得到符合要求的Massive MIMO天线阵列。

图1为本发明提供的带隔离腔体的子阵结构示意图，如图1，本发明实施例中子阵2由三个辐射单元1组成，所述三个辐射单元共线排列，各辐射单元1水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，所述各辐射单元1边缘使用腔体3隔离，所述腔体3由金属板构成，子阵2内部金属板底部开槽，避开馈电走线，所述子阵2错位排布。

在一个具体的实施例中，所述子阵错位排布为各子阵垂直方向错位0.75倍波长，以便实现降低天线阵列副瓣的能量，提高通信系统的容量。

图2是本发明一个实施例中带隔离腔体的子阵(a)与另一个实施例中不带隔离腔体的子阵(b)端口宽频S参数测试图，从两幅图对比可以看出隔离腔体的存在极大的增强了子阵中辐射单元的隔离性能，金属隔离腔体可以使子阵的端口隔离提高5dB以上，对于隔离腔体金属材质选择没有任何限制，可选自常规金属材料，如金、银、铜、铁、铝、不锈钢等。本发明的解耦网络的作用相当于传输线，而图1中通过将基板竖立起来并垂直放置于母板上在不增加母板厚度的基础上增加了传输线的等效厚度，既节约成本又进一步增加了传输线的阻抗。

图3是本发明实施例中两个错位排布子阵的馈电结构示意图，从图中可以看出一个子阵有8个馈电端口，两个错位排布子阵组成的全阵列单极化波束扫描由32个端口控制，水平向由8个端口控制波束扫描，垂直向由4个端口控制波束扫描。为了满足实际通讯中5G基站对天线波束下倾角度、垂直面内扫描范围的要求，可调整子阵的预置下倾角，在一个实施例中为了满足天线阵列垂直面内扫描±13°范围的要求将子阵的预置下倾角设为6°，并且与未进行预置下倾角的子阵进行了比较。从图5的子阵水平方向图可以看出未进行预置下倾角设计的子阵中副瓣电平只有-5dB，而图4中预置6°下倾角的子阵在波束扫描到6°时可以使副瓣电平达到-10dB，可见下倾角的设置一定程度上有利于提高Massive MIMO天线阵列的低副瓣性能，提高通信系统的容量以及通信的可靠性。

在一个具体的实施例中，制备了192个辐射单元组成的Massive MIMO天线阵列,如图6，图6所示的天线阵列中，从上至下的每一层都是由8个3辐射单元组成的子阵排列而成，各辐射单元边缘使用腔体隔离，子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，每一层的所述子阵排列在垂直方向错位0.75倍波长错位排布获堆叠获得共8层天线阵列，上下两层的子阵间隔对齐，即第一行中的第一个子阵与第2行中的第一个子阵错位0.75倍波长排列，第一行中的第一个子阵与第3行中的第一个子阵正对，依次堆叠设置，得到由192个辐射单元组成的Massive MIMO天线阵列。通过上述设置，可将各天线子阵列的方向图合成后水平副瓣的能量相互抵消，从而提高天线阵列的超宽带指标，提高通信系统的容量。从图7中也可以看出本发明提供的天线阵列具有更好的低副瓣性能。阵列在水平面±50°内，垂直面±13°的波束扫描，其在较宽扫描角度内副瓣抑制在12dB以上，从图8中192单元阵列水平面宽频波束扫描增益图可以看出该天线阵列增益波动在3dBi以内，最高为28dBi，即该天线阵列增益较高，且相对稳定，有利于通信质量的提高。

本发明实施例还提供了一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列组阵方法，该方法包括如下步骤：1)、将3个辐射单元组成子阵，各辐射单元边缘使用金属板腔体隔离，所述子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长；2)将若干所述子阵错位排布或者将若干子阵线形组合成一定数目的子阵排列，将上述子阵排列错位排布，即可得到高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列。所述子阵错位排布为各子阵垂直方向错位0.75倍波长。

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。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如本发明的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或者步骤等。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

Claims (5)

1.一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列，该MassiveMIMO天线阵列包括多个由3个辐射单元组成的子阵，所述子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，其特征在于：所述各辐射单元边缘使用腔体隔离，所述子阵错位排布；

其中，所述MassiveMIMO天线阵列由64个所述子阵错位排布组成，所述MassiveMIMO天线阵列单极化波束扫描由32个端口控制，其中水平向由8个端口控制波束扫描，垂直向由4个端口控制波束扫描，所述子阵预置下倾角为6°；

所述Massive MIMO天线阵列由192个辐射单元组成，从上至下的每一层都是由8个3辐射单元组成的子阵排列而成，各辐射单元边缘使用腔体隔离，子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，每一层的所述子阵排列在垂直方向错位0.75倍波长错位排布获堆叠获得共8层天线阵列，上下两层的子阵间隔对齐，即第一行中的第一个子阵与第2行中的第一个子阵错位0.75倍波长排列，第一行中的第一个子阵与第3行中的第一个子阵正对，依次堆叠设置，得到由192个辐射单元组成的Massive MIMO天线阵列。

2.根据权利要求1所述的一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列，其特征在于：所述腔体由金属板构成，子阵内部金属板底部开槽，避开馈电走线。

3.根据权利要求2所述的一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列，其特征在于：该MassiveMIMO天线阵列在3.5GHZ下，水平面±50°、垂直面±13°的宽扫描角度内副瓣抑制在12dB以上，增益波动为28dBi。

4.根据权利要求3所述的一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列，其特征在于：该MassiveMIMO天线阵列端口隔离在5dB以上。

5.一种高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列组阵方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)、将3个辐射单元组成子阵，各辐射单元边缘使用金属板腔体隔离，所述子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长；2)将若干所述子阵错位排布，得到高隔离、低副瓣MassiveMIMO天线阵列；

其中，所述MassiveMIMO天线阵列由64个所述子阵错位排布组成，所述MassiveMIMO天线阵列单极化波束扫描由32个端口控制，其中水平向由8个端口控制波束扫描，垂直向由4个端口控制波束扫描，所述子阵预置下倾角为6°；

所述Massive MIMO天线阵列由192个辐射单元组成，从上至下的每一层都是由8个3辐射单元组成的子阵排列而成，各辐射单元边缘使用腔体隔离，子阵中各辐射单元水平间距为0.5倍波长，垂直间距为0.6倍波长，每一层的所述子阵排列在垂直方向错位0.75倍波长错位排布获堆叠获得共8层天线阵列，上下两层的子阵间隔对齐，即第一行中的第一个子阵与第2行中的第一个子阵错位0.75倍波长排列，第一行中的第一个子阵与第3行中的第一个子阵正对，依次堆叠设置，得到由192个辐射单元组成的Massive MIMO天线阵列。

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