RU2698078C1

RU2698078C1 - Mimo antenna system

Info

Publication number: RU2698078C1
Application number: RU2018133368A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Алиев; Александр Владимирович Иванов; Евгений Сергеевич Макаров; Юрий Геннадьевич Пастернак; Игорь Владимирович Попов; Дмитрий Константинович Проскурин
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2019-08-21

Abstract

FIELD: antenna equipment.SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering, particularly, to MIMO antennas. First vibrator is a dipole with bent or straight arms with shunt power, fed by an irregular symmetrical two-wire line with conductors, second asymmetrical vibrator of arbitrary shape is a monopole, in the immediate vicinity of which there is a metal plate with zero potential, acting as counterweight of monopole, wherein the dipole is placed parallel to the edge of said metal plate at a distance greater than the length of the second radiating element, arranged on one substrate in one plane orthogonally to each other.EFFECT: low coefficient of mutual coupling between a pair of antennae.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к устройствам MIMO и может быть использовано в аппаратуре широкополосной беспроводной радиосвязи с множеством входов/выходов (системах WiMAX, LTE и LTE-Advanced).The invention relates to antenna technology, in particular, to MIMO devices and can be used in equipment for broadband wireless radio communications with many inputs / outputs (WiMAX, LTE and LTE-Advanced systems).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению - антенной системе MIMO, является изобретение по патенту US 2008/0258991 A1, «Multimode antenna structures Oct. 23, 2008-прототип.The closest technical solution to the claimed invention is the MIMO antenna system, is the invention according to patent US 2008/0258991 A1, "Multimode antenna structures Oct. 23, 2008 prototype.

Данная антенная система содержит два несимметричных либо симметричных вибратора, между которыми расположен развязывающий контур, представляющий собой четырехполюсник, состоящий из элементов с сосредоточенными либо распределенными параметрами. Проводимость четырехполюсника следует выбирать как можно меньшей, так как его клеммы находятся в точках пучностей тока. В такой антенной структуре резонансная частота вибраторов (диполей) остается той же, что и у вибраторов без развязывающей цепи, но при этом в характеристике коэффициента S11 наблюдается достаточно глубокий провал, ниже минус 20 дБ, а характеристика S11 немного смещается по частоте так, что провалы S11 и S21 не совпадают. Согласовать антенны можно с помощью простейшей LC-цепочки (цепи согласования). Минимальная связь между диполями достигается на частоте, когда ток, возбужденный в диполе 1 с помощью порта, равен по амплитуде току, наведенному на поверхности диполя 2. Разность фаз токов при этом равна приблизительно 160 градусов. Токи на диполе 2 для структуры не текут через клеммы на диполе 2. Вместо этого возбуждается резонансная мода, характеризующаяся противофазным распределением токов. Таким образом, ток, наведенный на диполе, не попадает на клеммы, что, во-первых, приводит к низким значениям S21, а во-вторых, амплитуды токов на обоих диполях практически одинаковы, что приводит к появлению ортогональных неискаженных взаимным влиянием диаграмм направленности, характеризующихся высокой степенью направленности. Управление шириной полосы развязки, а также частотой, на которой коэффициент корреляции (взаимной связи) между антеннами минимален, проводится изменением геометрических параметров цепи 3, соединяющей диполи 1 и 2. Частота развязки тем выше, чем дальше от антенных портов сдвинута цепь 3. Управление частотой и полосой согласования осуществляется изменением параметров диполей 1 и 2, а также параметров цепи согласования.This antenna system contains two asymmetric or symmetric vibrators, between which there is a decoupling circuit, which is a four-terminal network consisting of elements with concentrated or distributed parameters. The conductivity of the four-terminal should be chosen as small as possible, since its terminals are at the points of current antinodes. In such an antenna structure, the resonant frequency of the vibrators (dipoles) remains the same as that of vibrators without a decoupling circuit, but at the same time, a rather deep dip is observed in the characteristic of the coefficient S11, below minus 20 dB, and the characteristic S11 is slightly shifted in frequency so that the dips S11 and S21 do not match. Antennas can be matched using the simplest LC chain (matching circuit). The minimum coupling between the dipoles is achieved at a frequency when the current excited in dipole 1 using the port is equal in amplitude to the current induced on the surface of dipole 2. The phase difference of the currents is approximately 160 degrees. The currents on dipole 2 for the structure do not flow through the terminals on dipole 2. Instead, a resonance mode is excited, characterized by an antiphase current distribution. Thus, the current induced on the dipole does not reach the terminals, which, firstly, leads to low values of S21, and secondly, the amplitudes of the currents on both dipoles are almost the same, which leads to the appearance of orthogonal undistorted by mutual influence radiation patterns, characterized by a high degree of focus. The decoupling bandwidth, as well as the frequency at which the correlation coefficient (interconnection) between the antennas is minimal, is controlled by changing the geometric parameters of circuit 3 connecting dipoles 1 and 2. The decoupling frequency is higher, the farther the circuit 3 is shifted from the antenna ports. Frequency control and the matching band is carried out by changing the parameters of dipoles 1 and 2, as well as the parameters of the matching circuit.

Недостатками данного технического решения является внесение в конструкцию поверхности нулевого потенциала под антенной и цепи декорреляции, требующих осуществлять подстройку каждого изделия при массовом производстве.The disadvantages of this technical solution is the introduction into the surface design of zero potential under the antenna and decorrelation circuit, requiring adjustment of each product in mass production.

Настоящее изобретение направлено на достижение низкого коэффициента взаимной связи (коэффициента корреляции) между парой антенн, размещенных внутри компактного устройства радиосвязи на расстоянии, не превышающем несколько десятых длины волны, а также, получение двух ортогональных по направлению и поляризации диаграмм направленности, при сохранении удовлетворительных характеристик по согласованию, обеспечивается применением конструктивного решения, реализованного в выборе формы вибраторных антенн различного типа и их взаимного размещения с использованием разных вариантов запитки от приемопередатчика.The present invention is aimed at achieving a low coefficient of mutual coupling (correlation coefficient) between a pair of antennas located inside a compact radio communication device at a distance not exceeding a few tenths of a wavelength, and also, obtaining two orthogonal in direction and polarization radiation patterns, while maintaining satisfactory characteristics in coordination is ensured by the application of a constructive solution implemented in the choice of the form of vibrator antennas of various types and their mutual displacements using different power options from the transceiver.

Решение поставленной задачи по снижению коэффициента взаимной связи между двумя антеннами достигается тем, что, в предложенной антенной системе MIMO первый вибратор представляет собой диполь с согнутыми или прямыми плечами с шунтовым питанием, запитываемый с помощью нерегулярной симметричной двухпроводной линии с проводниками, второй несимметричный вибратор произвольной формы представляет собой монополь в непосредственной близости которого расположена металлическая пластина с нулевым потенциалом, выполняющая роль противовеса монополя, при этом диполь размещен параллельно кромке упомянутой металлической пластины на расстоянии, превышающем длину второго излучающего элемента, размещенные на одной подложке в одной плоскости ортогонально друг другу, при этом второй вибратор (монополь) перпендикулярен той же кромке металлической пластины, при этом полоски нерегулярной полосковой линии, запитывающие первый вибратор (диполь), расположены по обе стороны второго вибратора симметрично его высоте.The solution of the problem of reducing the mutual coupling coefficient between two antennas is achieved by the fact that, in the proposed MIMO antenna system, the first vibrator is a dipole with bent or straight shoulders with shunt power, powered by an irregular symmetric two-wire line with conductors, and the second asymmetric arbitrary-shaped vibrator is a monopole in the immediate vicinity of which there is a metal plate with zero potential, acting as a counterweight to mono ol, the dipole is placed parallel to the edge of the said metal plate at a distance exceeding the length of the second radiating element, placed on the same substrate in the same plane orthogonal to each other, while the second vibrator (monopole) is perpendicular to the same edge of the metal plate, while the strip has an irregular strip the lines feeding the first vibrator (dipole) are located on both sides of the second vibrator symmetrically to its height.

Сопоставительный анализ предложенного устройства с прототипом [патент US 2008/0258991 A1] показал, что предложенное техническое решение существенно отличается от прототипа, так как не применяется СВЧ (сверхвысокочастотная) цепь для развязки входов, а, следовательно, его конструкция существенно проще, т.к. не содержит сосредоточенных реактивных элементов, которые используются в прототипе для реализации СВЧ (сверхвысокочастотной) развязывающей цепи.A comparative analysis of the proposed device with the prototype [patent US 2008/0258991 A1] showed that the proposed technical solution is significantly different from the prototype, since it does not use a microwave (microwave) circuit for decoupling the inputs, and therefore its design is much simpler, because . does not contain concentrated reactive elements that are used in the prototype for the implementation of the microwave (microwave) decoupling chain.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общая схема предложенного антенного устройства, на фиг. 2 показан вариант антенного устройства с несимметричным питанием двух плеч диполя относительно пластины с нулевым потенциалом с помощью двух несимметричных портов через симметрирующий четвертьволновой трансформатор (8→7, 9→8), на фиг. 3 показано антенное устройство с вариантом запитки диполя с помощью полуволновой петли, образованной плечами запитки диполя и центральной частью диполя (запитывается верхнее плечо диполя в точках 8, 7, нижнее плечо закорочено на нулевой потенциал), выполняющей функцию симметрирования диполя.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general diagram of the proposed antenna device, FIG. 2 shows a variant of an antenna device with asymmetrical power supply of two dipole arms relative to a plate with zero potential using two asymmetric ports through a balancing quarter-wave transformer (8 → 7, 9 → 8), in FIG. Figure 3 shows an antenna device with the option of feeding the dipole using a half-wave loop formed by the shoulders of the dipole and the central part of the dipole (the upper arm of the dipole is energized at points 8, 7, the lower arm is shorted to zero potential), which performs the function of balancing the dipole.

Предлагаемое антенное устройство состоит из ортогонально размещенных диполя 1 с шунтовым питанием, запитываемого с помощью нерегулярной симметричной двухпроводной линии с проводниками 3, 4, монополя 2, расположенных на диэлектрической подложке 5. Антенна содержит металлическую пластину 6, выполняющую роль противовеса монополя 2 и точки запитки антенной системы 7, 8, 9, 10.The proposed antenna device consists of orthogonally placed dipole 1 with shunt power, powered by an irregular symmetrical two-wire line with conductors 3, 4, monopole 2 located on the dielectric substrate 5. The antenna contains a metal plate 6, which acts as a counterweight to monopole 2 and the antenna feed point systems 7, 8, 9, 10.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Диполь 1 запитывается с помощью нерегулярной симметричной двухпроводной линии с проводниками 3, 4 в точках 7, 9. Монополь 2 запитывается в точках 8, 10 относительно металлической пластины 6, которая, как правило, выполняет также роль земляного проводника (проводника с нулевым потенциалом) печатной платы. Токи, протекающие в проводниках 3, 4, возбуждают ток в диполе 1, формирующий диаграмму направленности данного антенного элемента. Также токи, протекающие в проводниках 3, 4, характеризуются одинаковой амплитудой и противоположными направлениями, поэтому они возбуждают в монополе 2 противофазные токи, излучение которых компенсирует друг друга, их суммарный вклад в точки запитки монополя 8, 10 равен нулю.Dipole 1 is fed using an irregular symmetrical two-wire line with conductors 3, 4 at points 7, 9. Monopole 2 is fed at points 8, 10 relative to the metal plate 6, which, as a rule, also acts as an earth conductor (conductor with zero potential) printed boards. The currents flowing in the conductors 3, 4, excite the current in dipole 1, which forms the radiation pattern of this antenna element. Also, the currents flowing in conductors 3, 4 are characterized by the same amplitude and opposite directions, so they excite antiphase currents in monopole 2, the radiation of which cancels each other, their total contribution to the supply points of monopole 8, 10 is zero.

В свою очередь, токи, наводимые монополем 2, в плечах диполя 1, характеризуются также одинаковой амплитудой и противоположными направлениями, поэтому их суммарный вклад в точки запитки диполя 7, 9 также равен нулю. Отсюда следует возможность получения весьма высокой развязки между диполем 1 и монополем 2 по S-параметрам. Ортогональность поляризаций излучения диполя 1 и монополя 2, а также ортогональность их диаграмм направленности, обуславливает высокую степень декорреляции между сигналами на выходах диполя 1 и монополя 2, вычисляемую по их комплексным векторным диаграммам направленности.In turn, the currents induced by monopole 2 in the arms of dipole 1 are also characterized by the same amplitude and opposite directions, therefore their total contribution to the power points of dipole 7, 9 is also equal to zero. This implies the possibility of obtaining a very high decoupling between dipole 1 and monopole 2 in S-parameters. The orthogonality of the polarizations of the radiation of dipole 1 and monopole 2, as well as the orthogonality of their radiation patterns, leads to a high degree of decorrelation between the signals at the outputs of dipole 1 and monopole 2, calculated from their complex vector radiation patterns.

С точки зрения удобства питания, предпочтительным является вариант несимметричного питания двух плеч диполя относительно пластины с нулевым потенциалом с помощью двух несимметричных портов, как показано на фиг. 2. Фазы электромагнитного поля в точках питания плеч диполя развернуты друг относительно друга на 180 градусов, обеспечивая тем самым требуемое распределение тока на поверхности монополя, и тока в плечах диполя.From the point of view of power convenience, it is preferable that the asymmetrical power supply of the two arms of the dipole relative to the plate with zero potential using two asymmetric ports, as shown in FIG. 2. The phases of the electromagnetic field at the power points of the dipole arms are rotated 180 degrees relative to each other, thereby ensuring the required distribution of current on the surface of the monopole and current in the arms of the dipole.

Вариант запитки диполя с помощью полуволновой петли, образованной плечами запитки диполя и центральной частью диполя, выполняющей функцию симметрирования диполя, показан на фиг. 3. В такой схеме построения устройства используются два несимметричных порта запитки. Функцию симметрирования диполя может выполнять также симметрирующий трансформатор, выполненный в виде сосредоточенного элемента, или полосковый симметрирующий трансформатор с конструкцией, отличной от показанной на фиг. 3.A variant of feeding a dipole using a half-wave loop formed by the shoulders of a dipole and the central part of the dipole, which performs the function of balancing the dipole, is shown in FIG. 3. In this design scheme, two asymmetric power ports are used. The dipole balancing function can also be performed by a balancing transformer made in the form of a lumped element, or a strip balancing transformer with a design different from that shown in FIG. 3.

Использование предложенного технического решения позволит минимизировать уровень взаимной связи между антеннами, размещенными внутри компактного устройства с достижением низкого значения корреляции диаграмм направленности антенн и снижением зависимости антенной системы от размеров и формы поверхности с нулевым потенциалом.Using the proposed technical solution will minimize the level of mutual communication between the antennas located inside the compact device with achieving a low correlation of antenna patterns and reducing the dependence of the antenna system on the size and shape of the surface with zero potential.

Claims

MIMO antenna system containing two vibrators placed on the substrate in the same plane orthogonal to each other, characterized in that the first vibrator is made in the form of a dipole with bent or straight shoulders, powered by an irregular symmetrical two-wire line with conductors, and the second arbitrary-shaped vibrator is made in the form of a monopole, and in the immediate vicinity of the monopole there is a metal plate with zero potential, acting as a counterweight to the monopole, while the dipole is placed arallelno edge of said metal plate at a distance exceeding the length of the monopole.