CN113036454B - 一种基于天线哑元的mimo阵列天线波束优化装置及方法 - Google Patents

一种基于天线哑元的mimo阵列天线波束优化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，包括：MIMO阵列天线，包括：若干个辐射天线单元，该若干个辐射天线单元用于电磁信号的辐射或接收；多个第一天线哑元，用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度；多个第二天线哑元，用于抑制每个辐射天线单元的表面波。本公开还提供了一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化方法。

Description

一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置及方法
技术领域
本公开涉及天线技术领域，具体涉及一种基于天线哑元的MIMO 阵列天线波束优化装置及方法。
背景技术
MIMO阵列天线由于通道数量多、空间自由度大、信道容量多等特点，一直广泛应用于目标探测、数据传输通信等领域。而随着轻小型平台的发展，高密度集成度、小型化的MIMO阵列天线成为目前发展的重要方向，高密度集成MIMO阵列天线多将天线与射频通道进行一体化集成从而大幅降低尺寸、体积等，但高集成度导致MIMO天线单元、子阵间耦合严重，方向图波束畸变，有源器件造成天线方向图畸变进一步恶化，带宽变窄，这些问题严重制约着其在雷达、通信等各个领域的应用，也成为目前科研人员的研究热点。
近年来，科研人员投入了大量的研究工作，且提出了几种解决阵列天线互耦的设计方法，但现有技术中解决阵列天线互耦的方法存在以下缺陷：
(1)传统的解耦结构尺寸较大，多利用于收发天线之间，用于收发天线间耦合的抑制，无法应用到MIMO阵列天线单元或子阵间；
(2)新研究的电磁带隙结构(EBG)等平面结构结构由于含有通孔结构，给多层介质板加工带来了难度，不利于与高密度集成方案中天线与射频的板级集成。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置及方法，对高密度集成的平面阵列天线波束进行优化，该装置适用于高密度集成的平面阵列天线能够改善背接有源电路及阵列单元排布紧凑带来的性能恶化问题，同时具有易加工实现、低剖面等优势，通过利用优化后的单元哑元排布在馈电辐射单元外，优化天线辐射单元电磁边界，减小因为电磁边界不对称造成的方向图畸变。
本公开的第一个方面提供了一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，包括：MIMO阵列天线，包括：若干个辐射天线单元，所述若干个辐射天线单元用于电磁信号的辐射或接收；多个第一天线哑元，用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度；多个第二天线哑元，用于抑制每个辐射天线单元的表面波。
进一步地，多个第一天线哑元及多个第二天线哑元分别设置于若干个辐射天线单元的周围且不相互重叠。
进一步地，多个辐射天线单元的间距大于一个波长，该波长为该辐射天线单元的工作频率所对应的波长。
进一步地，每个辐射天线单元与其周边设置的多个第二天线哑元的间距大于等于半个波长且小于一个波长，多个第一天线哑元与多个第二天线哑元的间距小于每个辐射天线单元与其周边设置的多个第二天线哑元的间距。
进一步地，每个第一天线哑元与每个第二天线哑元的尺寸不同。
进一步地，多个第一天线哑元的尺寸小于辐射天线单元的尺寸，多个第二天线哑元的尺寸与辐射天线单元的尺寸一致。
进一步地，多个第一天线哑元的尺寸为辐射天线单元的尺寸的二分之一。
进一步地，多个第一天线哑元与多个第二天线哑元均由金属材料构成。
进一步地，若干个辐射天线单元均为基于MIMO阵列的同轴通孔馈电微带贴片天线。
本公开的第二个方面提供了一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化方法，包括：构建MIMO阵列天线，该MIMO阵列天线包括若干个辐射天线单元；采用多个第一天线哑元及多个第二天线哑元分别设置于辐射天线单元间的四周，其中，多个第一天线哑元用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度，多个第二天线哑元用于抑制每个辐射天线单元的表面波。
本公开与现有技术相比，具备以下有益效果：
(1)本公开提供的一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，能够实现高密度集成的平面MIMO阵列天线互耦抑制从而实现良好性能的辐射波束方向图，满足了系统对高性能MIMO天线的需求。
(2)本公开提供的一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，同时具有低剖面、易加工等特点，相比其他优化方法提供的装置能够满足现有高密度集成阵列天线的一体化集成需求。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于天线哑元的MIMO 阵列天线波束优化装置的方框图；
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的基于天线哑元的MIMO 阵列天线波束优化装置的方框图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的基于天线哑元的MIMO 阵列天线波束优化方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于天线哑元的MIMO 阵列天线波束优化装置的方框图。
如图1所示，该基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置包括：MIMO阵列天线，包括：若干个辐射天线单元1，该若干个辐射天线单元1用于电磁信号的辐射或接收；多个第一天线哑元2，用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度；多个第二天线哑元3，用于抑制每个辐射天线单元的表面波。通过天线哑元的排布设置，可以使每个辐射天线单元的方向图均相似，避免各辐射天线单元在工作时相互影响。
其中，MIMO阵列天线为基于多天线/多入多出技术(MIMO)设计的天线阵列，其需满足多天线独立地收发信号并保证彼此间足够低的相关性，且每副天线有完全隔离开来的数据流。
具体地，该多个第一天线哑元2及多个第二天线哑元3分别设置于若干个辐射天线单元1的周围且不相互重叠，其中，多个第一天线哑元2与其相邻的辐射天线单元1的间距均小于多个第二天线哑元3 与其相邻的辐射天线单元1的间距，本公开实施例中，天线哑元与辐射天线单元的间距指的是各天线哑元中心位置与其相邻的辐射天线单元中心位置的距离。
本公开实施例中，如图1所示的装置结构应用于稀疏阵列天线，多个辐射天线单元1的间距大于一个波长，该波长为辐射天线单元的工作频率所对应的波长。
具体地，每个辐射天线单元与其周边设置的多个第二天线哑元的间距大于等于半个波长且小于一个波长，多个第一天线哑元与多个第二天线哑元的间距小于每个辐射天线单元与其周边设置的多个第二天线哑元的间距。例如，第二天线哑元3与其相邻的辐射天线单元1的间距约为0.7倍的波长，第一天线哑元2与其相邻的第二天线哑元3 的间距约为0.5～0.7倍的波长，在该排布设计下可达到较佳的互耦强度抑制及辐射天线单元的表面波抑制的效果。
本公开的实施例中，如图1所示，若干个辐射天线单元1、多个第一天线哑元2与多个第二天线哑元3均为规则的几何微带贴片结构，例如，可为方形或矩形等结构的微带贴片结构，该尺寸大小及结构设计根据实际需求而定。本公开的实施例中，辐射天线单元与天线哑元均采用方形微带贴片结构，每个辐射天线单元1尺寸相同，多个第一天线哑元2尺寸相同，多个第二天线哑元3的尺寸也相同，多个第一天线哑元2与多个第二天线哑元3的尺寸不同。其中，多个第一天线哑元2的尺寸小于辐射天线单元1的尺寸，多个第二天线哑元3的尺寸与辐射天线单元1的尺寸一致，通过选择两种不同尺寸的天线哑元进行排布，有效抑制辐射天线单元的互相影响对方向图的恶化。优选地，若干个辐射天线单元1、多个第一天线哑元2与多个第二天线哑元3为方形的微带贴片结构，多个第一天线哑元2的尺寸为辐射天线单元1尺寸的二分之一。
具体地，多个第一天线哑元2与多个第二天线哑元3均由金属材料构成，如：铜等。
其中，若干个辐射天线单元1均为基于MIMO阵列的同轴通孔馈电微带贴片天线，其包括：介质基板、辐射体及接地板，介质基板的厚度远小于一个波长，基板底部的金属薄层与接地板相接，正面则通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。辐射片的形状根据实际应用需求可进行多种变化。
需说明的是，每个辐射天线单元1周围设置的第一天线哑元2与第二天线哑元3的数量根据辐射天线单元1的尺寸及发射波长等参数决定，其数量可选6-20个，本公开实施例对此不做限定。
如图2所示为本公开另一实施例的基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置的方框图，其适用于收发天线相邻情况下的互耦抑制哑元排布。
图2示意性示出了一个单元的收发天线周边哑元排布的示意图，由于收发天线间距较近带来了耦合严重的问题，为解决之一问题，本公开实施例中，在发射天线11和接收天线12周围排布与天线阵元尺寸接近的多个第二天线哑元3，收发天线阵元之间由于间距较近，尺寸受限情况下，在相邻的收发天线阵元间排布为天线阵元尺寸二分之一的多个第一天线哑元2，该多个第一天线哑元2用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度，多个第二天线哑元3用于抑制每个辐射天线单元的表面波，其设计原理与前述实施例原理一致，均采用天线哑元抑制互耦，但适用场景有所不同，如图1所示的装置结构适用于稀疏阵列天线或发射天线阵元间或接收天线阵元间，如图2所示的装置结构适用于收发天线阵元间距较近的情况下。
本公开实施例中，如图2所示，多个第一天线哑元2与收发天线阵元的间距约小于0.2倍波长，多个第一天线哑元2与多个第二天线哑元3的间距约0.2～0.4倍波长。
本公开实施例中，天线哑元与天线阵元的结构关系、尺寸、材料等如上述实施例所示，此处不再详细表述。
需说明的是，天线哑元与天线阵元间的排布方式并不仅限于本公开实施例图1及图2所示，根据实际应用其还可以为其他方式，例如：多个第一天线哑元2与多个第二天线哑元3等间距的以“类圆形”排布于天线阵元的周围，其排布方式不仅仅限于“类方形”结构，且排布间距亦可根据实际需求而定。
图3示意性示出了根据本公开一实施例的基于天线哑元的MIMO 阵列天线波束优化方法的流程图。
如图3所示，该方法包括：
S1，构建MIMO阵列天线，该MIMO阵列天线包括若干个辐射天线单元。
S2，采用多个第一天线哑元及多个第二天线哑元分别设置于辐射天线单元间的四周，其中，多个第一天线哑元用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度，多个第二天线哑元用于抑制每个辐射天线单元的表面波。
本公开实施例中，基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化方法中的若干个辐射天线单元、多个第一天线哑元及多个第二天线哑元的结构、尺寸、排布方式如上述实施例所示，此处不再详细表述。
本公开实施例提供的一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置及方法，其适用于稀疏阵列天线，能够实现高密度集成的平面MIMO阵列天线互耦抑制从而实现良好性能的辐射波束方向图，满足了系统对高性能MIMO天线的需求；通过微带贴片式结构设计，整个装置具有低剖面、易加工等特点，相比其他优化方法提供的装置能够满足现有高密度集成阵列天线的一体化集成需求。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的装置的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块的一部分，上述模块的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件或器件的组合来实现。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (7)

1.一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，其特征在于，包括：
MIMO阵列天线，包括：若干个辐射天线单元，所述若干个辐射天线单元用于电磁信号的辐射或接收；
多个第一天线哑元，用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度；
多个第二天线哑元，用于抑制每个辐射天线单元的表面波；
其中，所述第一天线哑元与所述第二天线哑元的尺寸不同；所述第一天线哑元与所述第二天线哑元为不接地的微带贴片结构；
所述多个第一天线哑元及所述多个第二天线哑元分别设置于所述若干个辐射天线单元的周围且不相互重叠；
所述若干个辐射天线单元的间距大于一个波长，该波长为所述辐射天线单元的工作频率所对应的波长；所述多个第一天线哑元与所述多个第二天线哑元的间距小于所述每个辐射天线单元与其周边设置的所述多个第二天线哑元的间距。
2.根据权利要求1所述的基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，其特征在于，所述每个辐射天线单元与其周边设置的所述多个第二天线哑元的间距大于等于半个波长且小于一个波长。
3.根据权利要求1所述的基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，其特征在于，所述多个第一天线哑元的尺寸小于所述辐射天线单元的尺寸。
4.根据权利要求3所述的基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，其特征在于，所述多个第一天线哑元的尺寸为所述辐射天线单元的尺寸的二分之一。
5.根据权利要求1所述的基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，其特征在于，所述多个第一天线哑元与所述多个第二天线哑元均由金属材料构成。
6.根据权利要求1所述的基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化装置，其特征在于，所述若干个辐射天线单元均为基于MIMO阵列的同轴通孔馈电微带贴片天线。
7.一种基于天线哑元的MIMO阵列天线波束优化方法，其特征在于，包括：
构建MIMO阵列天线，所述MIMO阵列天线包括若干个辐射天线单元；
采用多个第一天线哑元及多个第二天线哑元分别设置于所述辐射天线单元间的周围，其中，所述多个第一天线哑元用于抑制相邻辐射天线单元间的互耦强度，所述多个第二天线哑元用于抑制每个辐射天线单元的表面波；其中，所述第一天线哑元与所述第二天线哑元的尺寸不同；所述第一天线哑元与所述第二天线哑元为不接地的微带贴片结构；所述多个第一天线哑元及所述多个第二天线哑元分别设置于所述若干个辐射天线单元的周围且不相互重叠；所述若干个辐射天线单元的间距大于一个波长，该波长为所述辐射天线单元的工作频率所对应的波长；所述多个第一天线哑元与所述多个第二天线哑元的间距小于所述每个辐射天线单元与其周边设置的所述多个第二天线哑元的间距。
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