CN207800897U - Mimo天线系统、天线阵列及其低频辐射单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种MIMO天线系统。其中，反射板、低频辐射单元及辅助辐射单元均为轴对称结构，且多个低频辐射单元及多个辅助辐射单元均沿反射板的对称轴间隔设置。此外，十字形的辅助辐射单元的第一支臂位于第一通道内并与第一通道同轴设置。也就是说，反射板、低频辐射单元及辅助辐射单元三者同轴。而两个天线队列由多个低频辐射单元及多个辅助辐射单元组合形成，故两个天线队列距离反射板的两侧边界的距离相同、左右边界之间宽度差距小，即对称性更好。因此，每列天线队列的辐射方向图更对称，从而使上述MIMO天线系统的性能得到有效地改善。此外，本实用新型还提供一种天线阵列及其低频辐射单元。

Description

MIMO天线系统、天线阵列及其低频辐射单元

技术领域

本实用新型涉及移动通讯技术领域，特别涉及一种MIMO天线系统、天线阵列及其低频辐射单元。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术是一种多天线技术，即在无线通信系统的接收端和发射端分别配备有多个天线，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。在当前2G、3G和4G网络共存移动通信的大环境下，为了节约站址和提高频谱利用率，MIMO天线得到越来越广泛的应用。

常见的MIMO天线阵列包括单列双极化天线阵列和双列双极化天线阵列。目前，一般采用并排布局的方式将单列天线阵列设计形成双列天线阵列。

然而，当采用上述方式形成双列天线阵列时，每列天线阵列相对于反射板边缘的分布是不对称的，即每列天线阵列距离反射板的两侧边界的距离不同。也就是说，每列天线阵列的左右边界之间宽度差距较大，这将会导致每列天线阵列的辐射方向图不对称、两边前后比差且不对称，半功率波束宽度的波宽收敛性差等问题。因此，目前的双列天线阵列的性能不佳。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有双列天线阵列性能不佳的问题，提供一种能有效改善性能的MIMO天线系统、天线阵列及其低频辐射单元。

一种低频辐射单元，包括两对极化正交的偶极子，四个所述偶极子分别为第一偶极子、第二偶极子、第三偶极子及第四偶极子，所述低频辐射单元为轴对称结构且具有相互垂直的第一对称轴及第二对称轴；在以所述第一对称轴及所述第二对称轴为X、Y轴、所述第一对称轴与所述第二对称轴的交点为原点的直角坐标系中，所述第一偶极子、所述第二偶极子、所述第三偶极子及所述第四偶极子分别位于所述直角坐标系的四个象限内，且相邻两个象限内的所述偶极子的极性相反；

其中，每个所述偶极子均包括第一辐射臂及第二辐射臂，所述第一辐射臂与所述第二辐射臂的一端连接以在所述偶极子上形成开口，且每个所述偶极子的开口均沿背向所述原点设置；所述第一偶极子、所述第二偶极子、所述第三偶极子及所述第四偶极子两两间隔设置，以形成分别以所述第一对称轴及所述第二对称轴为轴线的第一通道及第二通道。

在其中一个实施例中，四个所述偶极子之间的相对位置可调，以调节所述第一通道及所述第二通道的宽度。

在其中一个实施例中，所述第一通道及所述第二通道的宽度为0.05～0.5λ，所述λ为工作波长。

在其中一个实施例中，每个所述偶极子的所述第一辐射臂与所述第二辐射臂呈轴对称分布。

在其中一个实施例中，每个所述偶极子的所述第一辐射臂与所述第二辐射臂垂直连接，以使每个所述偶极子均呈“L”形。

在其中一个实施例中，还包括四个巴伦，所述巴伦包括两个支撑柱，以使所述巴伦呈“八”字形，同一个所述偶极子的两个所述第一辐射臂及所述第二分别安装于所述两个支撑柱上，所述支撑柱包括用于安装于所述反射板上并沿所述辐射臂方向倾斜延伸的折线段、与所述辐射臂连接并垂直于所述反射板的垂直段。

一种天线阵列，包括：

反射板，为轴对称结构；

多个如上述优选实施例中任一项所述低频辐射单元，沿所述反射板的对称轴间隔设置，且所述第一对称轴与所述反射板的对称轴重叠；及

多个沿所述反射板的对称轴间隔设置的辅助辐射单元，所述辅助辐射单元包括垂直且相交的第一支臂及第二支臂，以使所述辅助辐射单元呈十字形；

其中，所述第一支臂位于所述第一通道内并与所述第一通道同轴设置，所述第二支臂与所述多个低频辐射单元形成避位，且所述多个低频辐射单元及所述多个辅助辐射单元形成两个天线队列。

在其中一个实施例中，所述第二支臂位于相邻两个低频辐射单元的间隙内，以与所述多个低频辐射单元形成避位。

在其中一个实施例中，所述第二支臂位于所述第二通道内并与所述第二通道同轴设置，以与所述多个低频辐射单元形成避位。

在其中一个实施例中，沿所述第一对称轴的延伸方向分别对所述多个低频辐射单元及所述多个辅助辐射单元进行排序，奇数序号的所述低频辐射单元与偶数序号的所述辅助辐射单元电连接形成其中一个所述天线队列，偶数序号的所述低频辐射单元与奇数序号的所述辅助辐射单元电连接形成另一个所述天线队列。

在其中一个实施例中，所述多个低频辐射单元电连接形成其中一个所述天线队列，所述多个辅助辐射单元电连接形成另一个所述天线队列。

一种MIMO天线系统，包括如上述优选实施例中任一项所述天线阵列及两个信号收发模块，所述两个信号收发模块分别与所述两个天线队列电连接。

上述MIMO天线系统，反射板、低频辐射单元及辅助辐射单元均为轴对称结构，且多个低频辐射单元及多个辅助辐射单元均沿反射板的对称轴间隔设置。此外，十字形的辅助辐射单元的第一支臂位于第一通道内并与第一通道同轴设置。也就是说，反射板、低频辐射单元及辅助辐射单元三者同轴。而两个天线队列由多个低频辐射单元及多个辅助辐射单元组合形成，故两个天线队列距离反射板的两侧边界的距离相同、左右边界之间宽度差距小，即对称性更好。因此，每列天线队列的辐射方向图更对称，从而使上述MIMO天线系统的性能得到有效地改善。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例中天线阵列的结构示意图；

图2为图1所示天线阵列中低频辐射单元的结构示意图；

图3为图2所示低频辐射单元的俯视图；

图4为图2所示低频辐射单元的侧视图；

图5为图2所示低频辐射单元78mm间距仿真结果图；

图6为图2所示低频辐射单元38mm间距仿真结果图；

图7图1所示天线阵列的仿真结果图；

图8为另一个实施例中天线阵列的结构示意图；

图9为再一个实施例中天线阵列的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型提供了一种MIMO天线系统、天线阵列及低频辐射单元。其中， MIMO天线系统包括两个信号收发模块及上述天线阵列。

请参阅图1，本实用新型较佳实施例中的天线阵列10包括反射板100、低频辐射单元200及辅助辐射单元300。

反射板100主要起到反射及增强电磁波信号的作用，一般为金属板状结构。进一步的，反射板100为轴对称结构。具体的，反射板100可以呈矩形板状、圆形板状等结构。

请一并参阅图2、图3及图4，低频辐射单元200为多个，且沿反射板100 的对称轴间隔设置。低频辐射单元200包括两对极化正交的偶极子210。具体的，四个偶极子210分别为第一偶极子210a、第二偶极子210b、第三偶极子210c 及第四偶极子210d。其中，每个偶极子210均包括两个辐射臂211，分别为第一辐射臂211a及第二辐射臂211b。进一步的，低频辐射单元200为轴对称结构且具有相互垂直的第一对称轴及第二对称轴。此外，在天线阵列10中，第一对称轴与反射板100的对称轴重叠。

在以第一对称轴及第二对称轴为X、Y轴、第一对称轴与第二对称轴的交点为原点的直角坐标系中，第一偶极子210a、第二偶极子210b、第三偶极子210c 及第四偶极子210d分别位于四个象限内。进一步的，相邻两个象限内的偶极子 210的极性相反。也就是说，对角的两个偶极子210的极性相同。

此外，每个偶极子210的第一辐射臂211a与第二辐射臂211b的一端连接以在偶极子210上形成开口，且每个偶极子210的开口均沿背向原点设置。具体的，四个偶极子210围绕第一对称轴与第二对称轴的交点的周向分布，四个偶极子210所形成的低频辐射单元200呈“╬”形。具体在本实施例中，每个偶极子210的第一辐射臂211a与第二辐射臂211b呈轴对称分布。因此，偶极子 210电磁辐射更均匀。

进一步的，在本实施例中，每个偶极子210的第一辐射臂211a与第二辐射臂211b垂直连接，以使每个偶极子210均呈“L”形。

而且，第一偶极子210a、第二偶极子210b、第三偶极子210c及第四偶极子 210d两两间隔设置。因此，四个偶极子210之间形成有第一通道220及第二通道230。而且，第一通道220及第二通道230分别以第一对称轴及第二对称轴为轴线。需要指出的是，第一通道220与第二通道230的宽度一般设置为相同，但也可以设置成不同。

在本实施例中，低频辐射单元200还包括巴伦240。巴伦240为四个，且四个偶极子210分别安装于四个巴伦240上。巴伦240即可对偶极子210起到支撑作用，也可起到平衡电流的作用，从而使得偶极子210的两个辐射臂211实现平衡的输出。

进一步的，在本实施例中，巴伦240包括两个支撑柱241，以使巴伦240呈八字形。同一个偶极子210的两个辐射臂211分别安装于两个支撑柱241上。支撑柱241包括折线段2412及垂直段2414。折线段2412安装于反射板100上并沿辐射臂211方向倾斜延伸与垂直段2414的一端相连，垂直段2414的另一端与辐射臂211连接并垂直于反射板100。

由于两个支撑柱241形成“八”字形结构。因此，巴伦240还能降低偶极子210与反射板100表面的距离，从而降低频辐射单元200的垂直高度，有利于实现整个天线阵列10的小型化。

辅助辐射单元300为多个，且沿反射板100的对称轴间隔设置。也就是说，多个辅助辐射单元300在反射板100上的排列方式与多个低频辐射单元200相同。辅助辐射单元300包括垂直且相交的第一支臂310及第二支臂320，以使辅助辐射单元300呈十字形。可见，辅助辐射单元300也呈轴对称结构，且第一支臂310及第二支臂分别与两条对称轴重叠。其中，辅助辐射单元300与低频辐射单元200的功能相同，即用于电磁波信号的收发，故第一支臂210及第二支臂320相当于两个辐射臂211。

进一步的，第一支臂310位于第一通道220内并与第一通道220同轴设置。而由于第一通道220的轴线即为低频辐射单元200的第一对称轴，故反射板100、低频辐射单元200及辅助辐射单元300三者同轴设置。第二支臂320与多个低频辐射单元200形成避位。具体的，第二支臂320可以位于第二通道230内，也可以位于相邻两个低频辐射单元200之间的间隙内，从而与多个低频辐射单元200形成避位。

其中，每个低频辐射单元200及辅助辐射单元300均可作为电磁波信号发射的最小单元，而多个最小单元进行组合，则可形成天线队列。本实施例中的天线阵列10中，多个低频辐射单元200及多个辅助辐射单元300形成两个天线队列，从而使天线阵列10为双列天线阵列结构。具体参阅图1及图9，两个天线队列为第一天线队列11及第二天线队列12。第一天线队列11可以仅包括低频辐射单元200、或仅包括辅助辐射单元300、或即包括部分低频辐射单元200 也包括部分辅助辐射单元300；而第二天线队列12则包括其余的低频辐射单元200和/或辅助辐射单元300。

在MIMO天线系统中，两个信号收发模块分别与两个天线队列电连接。因此，可形成两组电磁波信号收发系统。

由于反射板100、低频辐射单元200及辅助辐射单元300三者同轴，而两个天线队列由多个低频辐射单元200及多个辅助辐射单元300组合形成，故两个天线队列距离反射板100的两侧边界的距离相同、左右边界之间宽度差距小，即对称性更好。对称性改善后，每列天线队列的辐射方向图更对称、前后比对称性更好、半功率波束宽度的波宽收敛性改善，从而使得上述MIMO天线系统的性能得到有效地改善。

此外，在上述天线阵列10及在MIMO天线系统中，两列天线队列的设置方式由现有的并列设置改为嵌套设置。因此，能有效地减小反射板100的宽度，以实现阵列天线10的小型化，从而有利于基站的建设。

请再次参阅图3，在本实施例中，四个偶极子210之间的相对位置可调，以调节第一通道220及第二通道230的宽度。

具体的，偶极子210之间垂直和水平间距一般为0.05λ～0.5λ(λ为工作波长)，即第一通道220及第二通道230的宽度为0.05λ～0.5λ。在同一边界条件下(反射板100的形状及尺寸固定)，间距越大，低频辐射单元200的水平面波宽越窄。因此，通过调节四个偶极子210之间的相对位置，可改变低频辐射单元200的水平面波宽，从而使得上述低频辐射单元200、阵列天线10及MIMO 天线系统可适用于多种场景。

如图5及图6所示，分别表示第一通道220及第二通道230的宽度d＝78mm 和d＝38mm时的仿真结果示意图。此外，下表1为低频辐射单元200水平面半功率波束宽度对应的仿真数据。由数据可知，通过改变宽度d的值，能灵活改变低频辐射单元200的波宽。

表1

请再次参阅图1，在本实施例中，第二支臂320位于第二通道230内并与第二通道230同轴设置，以与多个低频辐射单元200形成避位。

具体的，辅助辐射单元300整体嵌套于低频辐射单元200中。因此，阵列天线10在各个方向均对称，天线队列的对称性更好，故有利于进一步提升天线阵列10及MIMO天线系统的性能。

进一步的，在本实施例中，多个低频辐射单元200电连接形成其中一个天线队列，多个辅助辐射单元300电连接形成另一个天线队列。

因此，在同一个天线队列中，电磁波信号发射的最小单元的形态相同，故能进一步提升天线队列的对称性，从而再进一步地改善天线阵列10的性能。

具体以图1所示阵列天线10为例，3个低频辐射单元200沿第一对称轴的延伸方向依次排序为1、2、3号，3个辅助辐射单元300依次排序为1、2、3号。其中，1号、2号、3号低频辐射单元200形成第一天线队列11；而1号、2号、 3号辅助辐射单元300则形成第二天线队列12。

如图7所示，为本实施例中天线阵列10的仿真结果图，表2为本实施例中天线阵列10与现有天线阵列的波宽、前后比及轴向交叉极化的数据汇总。可见，天线阵列10波宽明显收敛、前后比和轴向交叉极化也得到明显改善。

表2

对比参数	现有技术	本实施例
			半功率波束宽度	81.4°～72.1°	61.5°～58.4°
前后比(dB)	21.2	26.7
			轴向交叉极化(dB)	17.8	22.4

请参阅图8，在另一个实施例中，第二支臂320位于相邻两个低频辐射单元 200的间隙内，以与多个低频辐射单元200形成避位。

与前一个实施例相比，区别仅在于辅助辐射单元300的设置位置。具体的，多个辅助辐射单元300插空设置于多个低频辐射单元200之间。而且，其中一个辅助辐射单元300的第一支臂310的两端分别位于相邻的两个低频辐射单元200的第一通道220内。这样，多个频辐射单元200与多个辅助辐射单元300之间的距离增大，从而有利于降低天线阵列10及MIMO天线系统中两个天线队列之间的耦合度。

需要指出的是，在其他实施例中，天线队列的形成不限于为上述两个实施例中的一种方式。例如，请再次参阅图9，在另一个实施例中，当第二支臂320 位于第二通道230内并与第二通道230同轴设置，以与多个低频辐射单元200 形成避位时，两个天线队列均由低频辐射单元200及辅助辐射单元300组合形成。

进一步的，沿第一对称轴的延伸方向分别对多个低频辐射单元200及多个辅助辐射单元300进行排序。因此，每个低频辐射单元200及辅助辐射单元300 均对应一个序号。其中，奇数序号的低频辐射单元200与偶数序号的辅助辐射单元300电连接形成其中一个天线队列，偶数序号的低频辐射单元200与奇数序号的辅助辐射单元300电连接形成另一个天线队列。

具体以图9所示阵列天线10为例，3个低频辐射单元200依次排序为1、2、3号，3个辅助辐射单元300依次排序为1、2、3号。其中，1号、3号低频辐射单元200与2号辅助辐射单元300形成第一天线队列11；而2号低频辐射单元200与1号、3号辅助辐射单元300形成第二天线队列12。

因此，低频辐射单元200与辅助辐射单元300相互交替连接形成天线队列。在调节第一通道220及第二通道230的宽度时，两个天线队列的水平面波宽均可被调节，从而进一步扩展天线队列10及MIMO天线系统的使用场景。

上述MIMO天线系统，反射板100、低频辐射单元200及辅助辐射单元300 均为轴对称结构，且多个低频辐射单元200及多个辅助辐射单元300均沿反射板100的对称轴间隔设置。此外，十字形的辅助辐射单元300的第一支臂310 位于第一通道220内并与第一通道220同轴设置。也就是说，反射板100、低频辐射单元200及辅助辐射单元300三者同轴。而两个天线队列由多个低频辐射单元200及多个辅助辐射单元300组合形成，故两个天线队列距离反射板100 的两侧边界的距离相同、左右边界之间宽度差距小，即对称性更好。因此，每列天线队列的辐射方向图更对称，从而使上述MIMO天线系统的性能得到有效地改善。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种低频辐射单元，包括两对极化正交的偶极子，四个所述偶极子分别为第一偶极子、第二偶极子、第三偶极子及第四偶极子，其特征在于，所述低频辐射单元为轴对称结构且具有相互垂直的第一对称轴及第二对称轴；在以所述第一对称轴及所述第二对称轴为X、Y轴、所述第一对称轴与所述第二对称轴的交点为原点的直角坐标系中，所述第一偶极子、所述第二偶极子、所述第三偶极子及所述第四偶极子分别位于所述直角坐标系的四个象限内，且相邻两个象限内的所述偶极子的极性相反；

其中，每个所述偶极子均包括第一辐射臂及第二辐射臂，所述第一辐射臂与所述第二辐射臂的一端连接以在所述偶极子上形成开口，且每个所述偶极子的开口均沿背向所述原点设置；所述第一偶极子、所述第二偶极子、所述第三偶极子及所述第四偶极子两两间隔设置，以形成分别以所述第一对称轴及所述第二对称轴为轴线的第一通道及第二通道。

2.根据权利要求1所述的低频辐射单元，其特征在于，四个所述偶极子之间的相对位置可调，以调节所述第一通道及所述第二通道的宽度。

3.根据权利要求2所述的低频辐射单元，其特征在于，所述第一通道及所述第二通道的宽度为0.05～0.5λ，所述λ为工作波长。

4.根据权利要求1所述的低频辐射单元，其特征在于，每个所述偶极子的所述第一辐射臂与所述第二辐射臂呈轴对称分布。

5.根据权利要求1所述的低频辐射单元，其特征在于，每个所述偶极子的所述第一辐射臂与所述第二辐射臂垂直连接，以使每个所述偶极子均呈“L”形。

6.根据权利要求1所述的低频辐射单元，其特征在于，还包括四个巴伦，所述巴伦包括两个支撑柱，以使所述巴伦呈“八”字形，同一个所述偶极子的两个所述第一辐射臂及所述第二辐射臂分别安装于所述两个支撑柱上，所述支撑柱包括用于安装于反射板上并沿所述辐射臂方向倾斜延伸的折线段、与所述辐射臂连接并垂直于所述反射板的垂直段。

7.一种天线阵列，其特征在于，包括：

反射板，为轴对称结构；

多个如上述权利要求1至6任一项所述低频辐射单元，沿所述反射板的对称轴间隔设置，且所述第一对称轴与所述反射板的对称轴重叠；及

多个沿所述反射板的对称轴间隔设置的辅助辐射单元，所述辅助辐射单元包括垂直且相交的第一支臂及第二支臂，以使所述辅助辐射单元呈十字形；

其中，所述第一支臂位于所述第一通道内并与所述第一通道同轴设置，所述第二支臂与所述多个低频辐射单元形成避位，且所述多个低频辐射单元及所述多个辅助辐射单元形成两个天线队列。

8.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于，所述第二支臂位于相邻两个低频辐射单元的间隙内，以与所述多个低频辐射单元形成避位。

9.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于，所述第二支臂位于所述第二通道内并与所述第二通道同轴设置，以与所述多个低频辐射单元形成避位。

10.根据权利要求7至9任一项所述的天线阵列，其特征在于，沿所述第一对称轴的延伸方向分别对所述多个低频辐射单元及所述多个辅助辐射单元进行排序，奇数序号的所述低频辐射单元与偶数序号的所述辅助辐射单元电连接形成其中一个所述天线队列，偶数序号的所述低频辐射单元与奇数序号的所述辅助辐射单元电连接形成另一个所述天线队列。

11.根据权利要求7至9任一项所述的天线阵列，其特征在于，所述多个低频辐射单元电连接形成其中一个所述天线队列，所述多个辅助辐射单元电连接形成另一个所述天线队列。

12.一种MIMO天线系统，其特征在于，包括如权利要求7至11任一项所述天线阵列及两个信号收发模块，所述两个信号收发模块分别与所述两个天线队列电连接。