本發(fā)明涉及一種緊湊型雙極化MIMO天線(xiàn)單元及所構(gòu)成的四極化MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)在收發(fā)兩端同時(shí)采用多個(gè)天線(xiàn)，通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)，利用無(wú)線(xiàn)信道中的多徑傳播特性，可以同時(shí)建立多個(gè)并行的空間子通道，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，能成倍地提高通信系統(tǒng)的頻譜效率和信道容量，因此在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中已獲得了廣泛的應(yīng)用，在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，大規(guī)模MIMO技術(shù)也成為其中最核心的技術(shù)之一。

然而，為了提供較大的信道容量，要求MIMO系統(tǒng)能夠獲得足夠大的空間自由度。一個(gè)MIMO系統(tǒng)的空間自由度是指它所能支持的獨(dú)立子信道數(shù)。在傳統(tǒng)的基于單極化天線(xiàn)的MIMO系統(tǒng)中，為了獲得足夠大的空間自由度，要求發(fā)射陣和接收陣中天線(xiàn)單元的間距都要足夠大。如果采用單極化的天線(xiàn)陣，在多徑豐富的環(huán)境中所需的最小陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)，而在多徑稀疏的環(huán)境中可能要達(dá)到5-10個(gè)波長(zhǎng)。由于基站和移動(dòng)用戶(hù)端的空間尺寸都很有限，因此單極化的MIMO系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到很大限制，而基于多極化天線(xiàn)的MIMO系統(tǒng)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)共點(diǎn)正交的多極化天線(xiàn)，或稱(chēng)矢量天線(xiàn)，空間中同一點(diǎn)的多個(gè)電磁場(chǎng)分量可以同時(shí)被探測(cè)到，從而使電磁場(chǎng)的矢量特性可以更充分的被利用。在多極化天線(xiàn)構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)中，由于對(duì)電磁場(chǎng)極化信息的利用，可以通過(guò)空間共點(diǎn)的、不同極化方式的天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此多極化MIMO系統(tǒng)也提供了一種緊湊型MIMO天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在密集陣元的MIMO通信系統(tǒng)和高分辨率MIMO雷達(dá)等系統(tǒng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

理論上，如果用一個(gè)共點(diǎn)的三個(gè)正交的電偶極子天線(xiàn)和三個(gè)正交的磁偶極子天線(xiàn)一起構(gòu)成一個(gè)矢量天線(xiàn)，最多可以獲得6個(gè)空間自由度。但實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)正交的多極化天線(xiàn)的難度很大，主要原因是距離很近的多個(gè)天線(xiàn)之間的耦合作用很強(qiáng)，很難獲得低耦合的共點(diǎn)正交的多極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。而天線(xiàn)之間的耦合會(huì)使各天線(xiàn)的輻射效率嚴(yán)重下降從而導(dǎo)致天線(xiàn)無(wú)法使用，因此目前人們對(duì)多極化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)主要集中在二極化或三極化的MIMO天線(xiàn)，而對(duì)更多維極化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)則較少見(jiàn)到。

在申請(qǐng)?zhí)?01210231562.8中也提出了一種四極化天線(xiàn)，但這些天線(xiàn)由二個(gè)正交的電偶極子天線(xiàn)和另二個(gè)與它們分別成45°和-45°夾角的電偶極子天線(xiàn)構(gòu)成。由于此天線(xiàn)中的四個(gè)陣元均為電偶極子天線(xiàn)，只能對(duì)電磁場(chǎng)中的電場(chǎng)分量進(jìn)行探測(cè)，而本發(fā)明中的四極化天線(xiàn)由二個(gè)電偶極子天線(xiàn)和二個(gè)磁偶極子天線(xiàn)構(gòu)成，可以同時(shí)對(duì)電磁場(chǎng)中的二個(gè)正交的電場(chǎng)分量和二個(gè)正交的磁場(chǎng)分量進(jìn)行探測(cè)，因此可以更充分地利用電磁場(chǎng)的矢量特性。對(duì)于具有不同極化角度的電偶極子天線(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)天線(xiàn)的夾角為90°時(shí)，它們所接收或發(fā)射信號(hào)的相關(guān)性最小，而當(dāng)它們的夾角小于90°時(shí)，其相關(guān)性會(huì)增加，從而引起MIMO信道容量的下降。

此外，由于電偶極子天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)比環(huán)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在由不同極化角度的電偶極子天線(xiàn)所構(gòu)成的多極化天線(xiàn)中，它們之間的耦合相對(duì)較小，獲得低耦合的多極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)較為容易。而在由多個(gè)電偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)進(jìn)行組合所構(gòu)成的多極化天線(xiàn)中，電偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)間的耦合很難去除，特別是在共面的電偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)之間，因此與完全由電偶極子所構(gòu)成的多極化天線(xiàn)相比，由電偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)的組合所構(gòu)成的多極化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)難度更大，需要在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，提出一些能夠有效降低天線(xiàn)耦合的設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種緊湊型雙極化MIMO天線(xiàn)單元及所構(gòu)成的四極化MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)，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(xiàn)系統(tǒng)。

一種緊湊型雙極化MIMO天線(xiàn)單元及所構(gòu)成的四極化MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)，雙極化天線(xiàn)由一個(gè)環(huán)天線(xiàn)和一個(gè)與之共面的電偶極子天線(xiàn)構(gòu)成，四極化天線(xiàn)由兩個(gè)電偶極子天線(xiàn)和兩個(gè)環(huán)天線(xiàn)構(gòu)成，彼此共點(diǎn)正交，四個(gè)天線(xiàn)工作在相同頻帶，雙極化天線(xiàn)、四極化天線(xiàn)之間填加電磁帶隙(EBG)材料以降低這些天線(xiàn)之間的耦合。

此雙極化MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)，由1個(gè)電偶極子天線(xiàn)和1個(gè)與之共面的、幾何中心共點(diǎn)的環(huán)天線(xiàn)所構(gòu)成，電偶極子天線(xiàn)被放置在環(huán)天線(xiàn)的內(nèi)部，與環(huán)天線(xiàn)無(wú)交叉、無(wú)重疊，通過(guò)EBG材料的填加來(lái)降低此環(huán)天線(xiàn)和電偶極子天線(xiàn)間的耦合，獲得了一種高隔離度的共面雙極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。利用此雙極化天線(xiàn)作為基本單元構(gòu)成了一個(gè)共點(diǎn)正交的四極化MIMO天線(xiàn)，此四極化MIMO天線(xiàn)由2個(gè)電偶極子天線(xiàn)和2個(gè)環(huán)天線(xiàn)構(gòu)成，并具有較高的隔離度。

解決了由1個(gè)電偶極子天線(xiàn)和1個(gè)與之共面的環(huán)天線(xiàn)所構(gòu)成的共點(diǎn)正交的雙極化天線(xiàn)中能夠具有高隔離度這一核心問(wèn)題，并利用此雙極化天線(xiàn)構(gòu)成了一個(gè)低耦合的、共點(diǎn)正交的四極化天線(xiàn)。

通過(guò)此四極化天線(xiàn)可以對(duì)電磁場(chǎng)中的2個(gè)正交的電場(chǎng)分量和2個(gè)正交的磁場(chǎng)分量同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，用于通信系統(tǒng)，可以增加系統(tǒng)的自由度。用于雷達(dá)、導(dǎo)航等系統(tǒng)可以提高定位和方位角等參數(shù)的估計(jì)精度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明是首次提出了一種由一個(gè)電偶極子天線(xiàn)和一個(gè)與之共面的環(huán)天線(xiàn)所構(gòu)成的、幾何中心共點(diǎn)的高隔離度的雙極化MIMO天線(xiàn)，通過(guò)EBG結(jié)構(gòu)來(lái)降低它們之間的耦合。并提出了以此雙極化天線(xiàn)作為單元所構(gòu)成的一種低耦合的四極化MIMO天線(xiàn)，此四極化天線(xiàn)由二個(gè)共點(diǎn)正交的電偶極子天線(xiàn)和二個(gè)共點(diǎn)正交的環(huán)天線(xiàn)來(lái)構(gòu)成，它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間中同一點(diǎn)的二個(gè)正交的電場(chǎng)分量和二個(gè)正交的磁場(chǎng)分量的提取和利用，相比于以往的二極化和三極化天線(xiàn)，此四極化天線(xiàn)可以獲得更高的極化自由度，相比于由不同極化角度的電偶極子所構(gòu)成的四極化天線(xiàn)，此四極化天線(xiàn)在獲取二個(gè)正交的電場(chǎng)分量的同時(shí)還可以獲取兩個(gè)正交的磁場(chǎng)分量，可以更充分地利用電磁場(chǎng)的矢量特性。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更透徹地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，如圖其中：

圖1為本發(fā)明中共面雙極化MIMO天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的共點(diǎn)正交四極化MIMO天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3(a)為本發(fā)明的環(huán)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3(b)為本發(fā)明中環(huán)天線(xiàn)的S參數(shù)圖。

圖4(a)為本發(fā)明的電偶極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4(b)為本發(fā)明中電偶極子天線(xiàn)的S參數(shù)圖。

圖5為本發(fā)明的由環(huán)天線(xiàn)、電偶極子天線(xiàn)和EBG材料組合在一起的雙極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6(a)為未填加EBG材料的雙極化天線(xiàn)的S參數(shù)圖。

圖6(b)為本發(fā)明中填加EBG材料后的雙極化天線(xiàn)的S參數(shù)圖。

圖7(a)為本發(fā)明的螺旋型EBG結(jié)構(gòu)之一示意圖。

圖7(b)為本發(fā)明的螺旋型EBG結(jié)構(gòu)之二示意圖。

圖8為本發(fā)明的由上述雙極化天線(xiàn)所構(gòu)成的四極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9(a)為本發(fā)明的四極化天線(xiàn)的S參數(shù)之一圖。

圖9(b)為本發(fā)明的四極化天線(xiàn)的S參數(shù)之二圖。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本說(shuō)明書(shū)中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)稱(chēng)元件、組件被“連接”到另一元件、組件時(shí)，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。這里使用的措辭“和/或”包括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。

為便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明，且各個(gè)實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)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(shí)施例1：

本發(fā)明需要解決的核心技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種高隔離度的、緊湊型、共點(diǎn)正交的雙極化MIMO天線(xiàn)及由該雙極化天線(xiàn)所構(gòu)成的一種緊湊型四極化MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)。此雙極化天線(xiàn)由一個(gè)環(huán)天線(xiàn)和一個(gè)與之共面的電偶極子天線(xiàn)構(gòu)成，此四極化天線(xiàn)由兩個(gè)電偶極子天線(xiàn)和兩個(gè)環(huán)天線(xiàn)構(gòu)成，彼此共點(diǎn)正交，四個(gè)天線(xiàn)工作在相同頻帶。為了降低這些天線(xiàn)間的耦合，在它們之間填加了一些電磁帶隙(EBG)材料。

本發(fā)明中提出了一種緊湊型雙極化MIMO天線(xiàn)單元及所構(gòu)成的四極化MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)；

為了更充分地利用電磁場(chǎng)的矢量特性，本發(fā)明利用極化分集原理，設(shè)計(jì)了一種工作于同一頻段的雙極化天線(xiàn)，如圖1所示，所述天線(xiàn)由一個(gè)第一環(huán)天線(xiàn)1和一個(gè)與之共面的第一電偶極子天線(xiàn)2構(gòu)成，為了實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)正交，電偶極子天線(xiàn)的中心與環(huán)天線(xiàn)的中心重合。

其中，第一環(huán)天線(xiàn)1和第一電偶極子天線(xiàn)2都位于xy平面，第一環(huán)天線(xiàn)1的軸與z軸重合，第一電偶極子天線(xiàn)2與y軸重合。此外，為了降低環(huán)天線(xiàn)和電偶極子天線(xiàn)間的耦合，在它們中間填加了一些EBG材料3，為了避免兩個(gè)天線(xiàn)交叉，電偶極子天線(xiàn)采用了緊湊結(jié)構(gòu)，使其能夠被放置在環(huán)天線(xiàn)的內(nèi)部。

為了具有磁偶極子天線(xiàn)的輻射特性，要求環(huán)天線(xiàn)上具有均勻的電流分布，但環(huán)的結(jié)構(gòu)和形狀任意，可以是圓形、矩形或其他，電偶極子天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和形狀任意，可以為矩形、三角形或其他結(jié)構(gòu)。并不限定為圖1中所示的結(jié)構(gòu)和形狀。

在此基礎(chǔ)上，提出了一種緊湊的、低耦合、共點(diǎn)正交的四極化MIMO天線(xiàn)，如圖2所示，此四極化天線(xiàn)由二個(gè)電偶極子天線(xiàn)和二個(gè)環(huán)天線(xiàn)構(gòu)成，它們工作在相同頻段。其中第一環(huán)天線(xiàn)1位于xy平面，第一電偶極子天線(xiàn)2位于y軸，第二環(huán)天線(xiàn)6位于xz平面，第二電偶極子天線(xiàn)7位于x軸。在電偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)之間填加EBG材料3，以降低它們之間的耦合。通過(guò)此結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電場(chǎng)分量Ex，Ey和兩個(gè)磁場(chǎng)分量Hy，Hz可以同時(shí)被探測(cè)到，從而構(gòu)成了共點(diǎn)正交的一個(gè)四極化MIMO天線(xiàn)。

圖2中僅給出了由二個(gè)電偶極子天線(xiàn)和二個(gè)環(huán)天線(xiàn)所構(gòu)成的共點(diǎn)正交四極化天線(xiàn)的一種情況，但并不能作為本發(fā)明的限定，利用其他電磁場(chǎng)分量的由二個(gè)電偶極子天線(xiàn)和二個(gè)環(huán)天線(xiàn)所構(gòu)成的共點(diǎn)正交四極化天線(xiàn)的原理是類(lèi)似的。

實(shí)施例2：作為本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，給出一種緊湊型雙極化MIMO天線(xiàn)單元及所構(gòu)成的四極化MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案，此天線(xiàn)工作于2.4GHz頻段，對(duì)于工作于其他頻段的相應(yīng)的雙極化和四極化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)原理類(lèi)似。

在圖3中給出了所設(shè)計(jì)環(huán)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和S參數(shù)。為了使環(huán)上具有均勻的電流分布，本發(fā)明中采用了一種具有零相移特性的傳輸線(xiàn)來(lái)構(gòu)成一個(gè)環(huán)天線(xiàn)，為了便于將電偶極子天線(xiàn)置于此環(huán)天線(xiàn)的內(nèi)部和方便EBG材料的填加，本發(fā)明采用了一種方環(huán)結(jié)構(gòu)，此環(huán)天線(xiàn)的周長(zhǎng)為236mm(1.888λ，其中λ為自由空間中的工作波長(zhǎng))，從而為其內(nèi)部電偶極子和EBG材料的擺放創(chuàng)造了足夠大的空間。

在圖4給出了所設(shè)計(jì)電偶極子天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和S參數(shù)。由于上述方環(huán)天線(xiàn)的邊長(zhǎng)為0.472λ，如果采用傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)電偶極子天線(xiàn)，則電偶極子會(huì)與環(huán)天線(xiàn)相互交叉，導(dǎo)致此雙極化天線(xiàn)無(wú)法工作。

因此本發(fā)明中采用了一種折疊式結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)緊湊型的電偶極子天線(xiàn)，此天線(xiàn)也工作與2.4GHz，但長(zhǎng)度僅為0.275λ，與半波長(zhǎng)電偶極子天線(xiàn)相比，它的物理長(zhǎng)度減少了45％，從而可以被置于環(huán)天線(xiàn)的內(nèi)部而不產(chǎn)生任何交叉，并為電偶極子與環(huán)天線(xiàn)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(xiàn)直接置于環(huán)天線(xiàn)內(nèi)部，則它們之間的耦合非常大導(dǎo)致此雙極化天線(xiàn)無(wú)法正常工作。

因此本發(fā)明中在此電偶極子和環(huán)天線(xiàn)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(wú)法從中通過(guò)，因此可以提高工作于此頻段的天線(xiàn)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(xiàn)的結(jié)構(gòu)，此天線(xiàn)工作于2.4GHz，在圖6中對(duì)未加入EBG材料和已加入EBG材料的兩種雙極化天線(xiàn)的S參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，可以見(jiàn)到，通過(guò)EBG材料，可以使共面的電偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)的耦合下降約16dB，到達(dá)-20dB，使共面的電偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)間的耦合明顯降低。但EBG中經(jīng)常用到的Sievenpiper蘑菇結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)要達(dá)到15mm，由于尺寸過(guò)大，在本發(fā)明中并不適用。

因此，本發(fā)明中采用了如圖7所示的一種螺旋型EBG結(jié)構(gòu)，它的每個(gè)單元的長(zhǎng)度a＝2mm，可以工作于目標(biāo)頻段2.4GHz，并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(xiàn)所構(gòu)成的四極化MIMO天線(xiàn)，此四極化天線(xiàn)包括位于xy面的第一環(huán)天線(xiàn)1和第一電偶極子天線(xiàn)2，此環(huán)天線(xiàn)的軸沿著z軸，此電偶極子天線(xiàn)沿著x軸，和位于yz面的第二環(huán)天線(xiàn)6和第二電偶極子天線(xiàn)7，此環(huán)天線(xiàn)的軸沿著x軸，此電偶極子天線(xiàn)沿著z軸，在它們之間填加了一些EBG材料3，兩個(gè)環(huán)天線(xiàn)和兩個(gè)電偶極子天線(xiàn)都工作在2.42GHz頻段，通過(guò)此四極化天線(xiàn)可以被探測(cè)到的電磁場(chǎng)分量為Ex，Ez和Hx，Hz。

在圖9中給出了上述四極化天線(xiàn)的S參數(shù)，從圖9中可見(jiàn)，其反射系數(shù)和耦合在2.40GHz-2.44GHz內(nèi)都具有令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒(méi)有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。