一種緊湊型雙極化MIMO天線單元及所構成的四極化MIMO天線系統的製作方法

2023-12-03 12:06:11

本發明涉及一種緊湊型雙極化MIMO天線單元及所構成的四極化MIMO天線系統，屬於通信技術領域。

背景技術：

多輸入多輸出(MIMO)系統在收發兩端同時採用多個天線，通過信號處理技術，利用無線信道中的多徑傳播特性，可以同時建立多個並行的空間子通道，在不增加帶寬與發射功率的情況下，能成倍地提高通信系統的頻譜效率和信道容量，因此在第四代移動通信系統中已獲得了廣泛的應用，在第五代移動通信系統中，大規模MIMO技術也成為其中最核心的技術之一。

然而，為了提供較大的信道容量，要求MIMO系統能夠獲得足夠大的空間自由度。一個MIMO系統的空間自由度是指它所能支持的獨立子信道數。在傳統的基於單極化天線的MIMO系統中，為了獲得足夠大的空間自由度，要求發射陣和接收陣中天線單元的間距都要足夠大。如果採用單極化的天線陣，在多徑豐富的環境中所需的最小陣元間距為半個波長，而在多徑稀疏的環境中可能要達到5-10個波長。由於基站和移動用戶端的空間尺寸都很有限，因此單極化的MIMO系統在實際應用中會受到很大限制，而基於多極化天線的MIMO系統可以很好地解決這個問題。通過共點正交的多極化天線，或稱矢量天線，空間中同一點的多個電磁場分量可以同時被探測到，從而使電磁場的矢量特性可以更充分的被利用。在多極化天線構成的MIMO系統中，由於對電磁場極化信息的利用，可以通過空間共點的、不同極化方式的天線來實現，因此多極化MIMO系統也提供了一種緊湊型MIMO天線的實現技術，在密集陣元的MIMO通信系統和高解析度MIMO雷達等系統中都具有廣泛的應用前景。

理論上，如果用一個共點的三個正交的電偶極子天線和三個正交的磁偶極子天線一起構成一個矢量天線，最多可以獲得6個空間自由度。但實現共點正交的多極化天線的難度很大，主要原因是距離很近的多個天線之間的耦合作用很強，很難獲得低耦合的共點正交的多極化天線結構。而天線之間的耦合會使各天線的輻射效率嚴重下降從而導致天線無法使用，因此目前人們對多極化天線的設計主要集中在二極化或三極化的MIMO天線，而對更多維極化天線的設計則較少見到。

在申請號201210231562.8中也提出了一種四極化天線，但這些天線由二個正交的電偶極子天線和另二個與它們分別成45°和-45°夾角的電偶極子天線構成。由於此天線中的四個陣元均為電偶極子天線，只能對電磁場中的電場分量進行探測，而本發明中的四極化天線由二個電偶極子天線和二個磁偶極子天線構成，可以同時對電磁場中的二個正交的電場分量和二個正交的磁場分量進行探測，因此可以更充分地利用電磁場的矢量特性。對於具有不同極化角度的電偶極子天線，當兩個天線的夾角為90°時，它們所接收或發射信號的相關性最小，而當它們的夾角小於90°時，其相關性會增加，從而引起MIMO信道容量的下降。

此外，由於電偶極子天線的結構比環天線的結構簡單，在由不同極化角度的電偶極子天線所構成的多極化天線中，它們之間的耦合相對較小，獲得低耦合的多極化天線結構較為容易。而在由多個電偶極子天線和環天線進行組合所構成的多極化天線中，電偶極子天線和環天線間的耦合很難去除，特別是在共面的電偶極子天線和環天線之間，因此與完全由電偶極子所構成的多極化天線相比，由電偶極子天線和環天線的組合所構成的多極化天線的設計難度更大，需要在整個系統範圍內進行統籌考慮，提出一些能夠有效降低天線耦合的設計。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足,本發明提供一種緊湊型雙極化MIMO天線單元及所構成的四極化MIMO天線系統，利用極化分集原理，提出了一種緊湊型、低耦合的四極化MIMO天線系統。

一種緊湊型雙極化MIMO天線單元及所構成的四極化MIMO天線系統，雙極化天線由一個環天線和一個與之共面的電偶極子天線構成，四極化天線由兩個電偶極子天線和兩個環天線構成，彼此共點正交，四個天線工作在相同頻帶，雙極化天線、四極化天線之間填加電磁帶隙(EBG)材料以降低這些天線之間的耦合。

此雙極化MIMO天線系統，由1個電偶極子天線和1個與之共面的、幾何中心共點的環天線所構成，電偶極子天線被放置在環天線的內部，與環天線無交叉、無重疊，通過EBG材料的填加來降低此環天線和電偶極子天線間的耦合，獲得了一種高隔離度的共面雙極化天線結構。利用此雙極化天線作為基本單元構成了一個共點正交的四極化MIMO天線，此四極化MIMO天線由2個電偶極子天線和2個環天線構成，並具有較高的隔離度。

解決了由1個電偶極子天線和1個與之共面的環天線所構成的共點正交的雙極化天線中能夠具有高隔離度這一核心問題，並利用此雙極化天線構成了一個低耦合的、共點正交的四極化天線。

通過此四極化天線可以對電磁場中的2個正交的電場分量和2個正交的磁場分量同時進行探測，用於通信系統，可以增加系統的自由度。用於雷達、導航等系統可以提高定位和方位角等參數的估計精度。

本發明的優點是：

本發明是首次提出了一種由一個電偶極子天線和一個與之共面的環天線所構成的、幾何中心共點的高隔離度的雙極化MIMO天線，通過EBG結構來降低它們之間的耦合。並提出了以此雙極化天線作為單元所構成的一種低耦合的四極化MIMO天線，此四極化天線由二個共點正交的電偶極子天線和二個共點正交的環天線來構成，它能同時實現對空間中同一點的二個正交的電場分量和二個正交的磁場分量的提取和利用，相比於以往的二極化和三極化天線，此四極化天線可以獲得更高的極化自由度，相比於由不同極化角度的電偶極子所構成的四極化天線，此四極化天線在獲取二個正交的電場分量的同時還可以獲取兩個正交的磁場分量，可以更充分地利用電磁場的矢量特性。

附圖說明

當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更透徹地理解本發明以及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定，如圖其中：

圖1為本發明中共面雙極化MIMO天線的結構示意圖。

圖2為本發明的共點正交四極化MIMO天線結構示意圖。

圖3(a)為本發明的環天線結構示意圖。

圖3(b)為本發明中環天線的S參數圖。

圖4(a)為本發明的電偶極子天線結構示意圖。

圖4(b)為本發明中電偶極子天線的S參數圖。

圖5為本發明的由環天線、電偶極子天線和EBG材料組合在一起的雙極化天線結構示意圖。

圖6(a)為未填加EBG材料的雙極化天線的S參數圖。

圖6(b)為本發明中填加EBG材料後的雙極化天線的S參數圖。

圖7(a)為本發明的螺旋型EBG結構之一示意圖。

圖7(b)為本發明的螺旋型EBG結構之二示意圖。

圖8為本發明的由上述雙極化天線所構成的四極化天線結構示意圖。

圖9(a)為本發明的四極化天線的S參數之一圖。

圖9(b)為本發明的四極化天線的S參數之二圖。

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

具體實施方式

顯然，本領域技術人員基於本發明的宗旨所做的許多修改和變化屬於本發明的保護範圍。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當稱元件、組件被「連接」到另一元件、組件時，它可以直接連接到其他元件或者組件，或者也可以存在中間元件或者組件。這裡使用的措辭「和/或」包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。

為便於對本發明實施例的理解，下面將做進一步的解釋說明，且各個實施例並不構成對本發明實施例的限定。

MIMO:multiple-input multiple-output多輸入多輸出；

EBG：Electromagnetic Band Gap電磁帶隙；

實施例1：

本發明需要解決的核心技術問題是設計一種高隔離度的、緊湊型、共點正交的雙極化MIMO天線及由該雙極化天線所構成的一種緊湊型四極化MIMO天線系統。此雙極化天線由一個環天線和一個與之共面的電偶極子天線構成，此四極化天線由兩個電偶極子天線和兩個環天線構成，彼此共點正交，四個天線工作在相同頻帶。為了降低這些天線間的耦合，在它們之間填加了一些電磁帶隙(EBG)材料。

本發明中提出了一種緊湊型雙極化MIMO天線單元及所構成的四極化MIMO天線系統；

為了更充分地利用電磁場的矢量特性，本發明利用極化分集原理，設計了一種工作於同一頻段的雙極化天線，如圖1所示，所述天線由一個第一環天線1和一個與之共面的第一電偶極子天線2構成，為了實現共點正交，電偶極子天線的中心與環天線的中心重合。

其中，第一環天線1和第一電偶極子天線2都位於xy平面，第一環天線1的軸與z軸重合，第一電偶極子天線2與y軸重合。此外，為了降低環天線和電偶極子天線間的耦合，在它們中間填加了一些EBG材料3，為了避免兩個天線交叉，電偶極子天線採用了緊湊結構，使其能夠被放置在環天線的內部。

為了具有磁偶極子天線的輻射特性，要求環天線上具有均勻的電流分布，但環的結構和形狀任意，可以是圓形、矩形或其他，電偶極子天線的結構和形狀任意，可以為矩形、三角形或其他結構。並不限定為圖1中所示的結構和形狀。

在此基礎上，提出了一種緊湊的、低耦合、共點正交的四極化MIMO天線，如圖2所示，此四極化天線由二個電偶極子天線和二個環天線構成，它們工作在相同頻段。其中第一環天線1位於xy平面，第一電偶極子天線2位於y軸，第二環天線6位於xz平面，第二電偶極子天線7位於x軸。在電偶極子天線和環天線之間填加EBG材料3，以降低它們之間的耦合。通過此結構，兩個電場分量Ex，Ey和兩個磁場分量Hy，Hz可以同時被探測到，從而構成了共點正交的一個四極化MIMO天線。

圖2中僅給出了由二個電偶極子天線和二個環天線所構成的共點正交四極化天線的一種情況，但並不能作為本發明的限定，利用其他電磁場分量的由二個電偶極子天線和二個環天線所構成的共點正交四極化天線的原理是類似的。

實施例2：作為本發明的一個示例性實施例，給出一種緊湊型雙極化MIMO天線單元及所構成的四極化MIMO天線系統的一個實施方案，此天線工作於2.4GHz頻段，對於工作於其他頻段的相應的雙極化和四極化天線的設計原理類似。

在圖3中給出了所設計環天線的結構和S參數。為了使環上具有均勻的電流分布，本發明中採用了一種具有零相移特性的傳輸線來構成一個環天線，為了便於將電偶極子天線置於此環天線的內部和方便EBG材料的填加，本發明採用了一種方環結構，此環天線的周長為236mm(1.888λ，其中λ為自由空間中的工作波長)，從而為其內部電偶極子和EBG材料的擺放創造了足夠大的空間。

在圖4給出了所設計電偶極子天線的結構和S參數。由於上述方環天線的邊長為0.472λ，如果採用傳統的半波長電偶極子天線，則電偶極子會與環天線相互交叉，導致此雙極化天線無法工作。

因此本發明中採用了一種摺疊式結構來實現一個緊湊型的電偶極子天線，此天線也工作與2.4GHz，但長度僅為0.275λ，與半波長電偶極子天線相比，它的物理長度減少了45％，從而可以被置於環天線的內部而不產生任何交叉，並為電偶極子與環天線之間EBG材料的填加留出了足夠的空間。

但如果把此電偶極子天線直接置於環天線內部，則它們之間的耦合非常大導致此雙極化天線無法正常工作。

因此本發明中在此電偶極子和環天線之間填加了一些EBG材料，利用EBG的帶阻特性，使特定頻段的電磁波無法從中通過，因此可以提高工作於此頻段的天線之間的隔離度。

在圖5中給出了加入了EBG材料的雙極化天線的結構，此天線工作於2.4GHz，在圖6中對未加入EBG材料和已加入EBG材料的兩種雙極化天線的S參數進行了對比，可以見到，通過EBG材料，可以使共面的電偶極子天線和環天線的耦合下降約16dB，到達-20dB，使共面的電偶極子天線和環天線間的耦合明顯降低。但EBG中經常用到的Sievenpiper蘑菇結構的邊長要達到15mm，由於尺寸過大，在本發明中並不適用。

因此，本發明中採用了如圖7所示的一種螺旋型EBG結構，它的每個單元的長度a＝2mm，可以工作於目標頻段2.4GHz，並且很有效地升了隔離度。

在圖8中給出了由所述雙極化天線所構成的四極化MIMO天線，此四極化天線包括位於xy面的第一環天線1和第一電偶極子天線2，此環天線的軸沿著z軸，此電偶極子天線沿著x軸，和位於yz面的第二環天線6和第二電偶極子天線7，此環天線的軸沿著x軸，此電偶極子天線沿著z軸，在它們之間填加了一些EBG材料3，兩個環天線和兩個電偶極子天線都工作在2.42GHz頻段，通過此四極化天線可以被探測到的電磁場分量為Ex，Ez和Hx，Hz。

在圖9中給出了上述四極化天線的S參數，從圖9中可見，其反射係數和耦合在2.40GHz-2.44GHz內都具有令人滿意的結果。

如上所述，對本發明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質上沒有脫離本發明的發明點及效果可以有很多的變形，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發明的保護範圍之內。