CN104218320A - 一种3极化磁偶极子mimo天线*** - Google Patents

Abstract

一种3极化磁偶极子MIMO天线***，属于无线通信***技术领域。3极化磁偶极子MIMO天线由3个相互正交的第一环天线、第二环天线和第三环天线组成，这第一环天线、第二环天线和第三环天线的几何中心位于空间中的同一点，分别馈电；每个环天线上具有均匀的电流分布，同时第一环天线、第二环天线和第三环天线间的耦合较低，从而具有较高的MIMO信道容量；本发明利用共点、低耦合的三极化磁偶极子构成的具有较高信道容量的紧凑型MIMO天线。实现三个磁场极化分量的提取和利用，从而可以获得磁场分量的三个极化自由度。

Description

一种3极化磁偶极子MIMO天线***

技术领域

本发明涉及一种3极化磁偶极子MIMO天线***，属于无线通信***技术领域。

背景技术

由于MIMO技术在提高无线通信***的信道容量方面具有很大的潜力已经受到人们的广泛关注。然而，为了获得较大的信道容量，要求实现MIMO***的天线能够获得足够大的空间自由度。一个MIMO***的空间自由度是指它所能支持的独立子信道数。在传统的基于单极化天线的MIMO***中，为了获得足够大的空间自由度，要求发射和接收天线的阵元间距都要足够大。在多径丰富的环境中最小阵元间距为半个波长，而在多径稀疏的环境中可能要达到5-10个波长。由于基站和移动用户端的空间尺寸都很有限，因此传统的基于单极化天线的MIMO***的应用受到了很多限制，而基于多极化天线的MIMO***可以很好的解决这个问题。在多极化天线构成的MIMO***中，由于对电磁场极化信息的利用，可以通过空间共点的、不同极化方式的天线来实现，因此多极化MIMO天线提供了一种紧凑型MIMO***的实现技术。

此外，这种共点的多极化天线由于能够探测矢量电磁场分量，也称为矢量天线。矢量天线除了可以用于无线通信以外，在无线定位和导航等***中也具有重要的应用价值。

理论上空间共点的三个正交的电偶极子和三个正交的磁偶极子天线最多可以获得6个空间自由度。实际上，与共点、正交的电偶极子天线设计相比，低耦合的共点、正交的磁偶极子天线设计难度更大，由于互相靠近的环天线之间更容易产生耦合。

因此，共点、正交的3个电偶极子的设计较为常见，而共点、正交的多个磁偶极子天线的设计还不多见。此外，通过前期的研究发现，为了获得较大的MIMO信道容量，要求环天线具有接近理想磁偶极子的辐射方向图。而为了获得一个接近理想磁偶极子辐射特性的环天线，要求金属环上的电流具有均匀分布，文献[1]和[2]中分别提出了两种二极化正交环天线，而具有均匀电流分布的，共点、低耦合、3个正交磁偶极子天线的设计还很少见到公开报道。

目前只发现几种共点的2极化磁偶极子天线的设计，而共点的3极化磁偶极子天线还很少见到。与2极化磁偶极子天线相比，通过3极化的磁偶极子天线可以获得最高1.5倍的信道容量增益，可见设计3极化磁偶极子天线对于实现紧凑型、高频谱效率的MIMO***具有至关重要的意义。

然而，如果采用3个普通的环天线构成的共点、3极化环天线，它们之间会产生很大的耦合，导致天线的辐射效率很低而无法使用。

文献[1]B.Elnour and D.Erricolo,“一种新颖的工作于2.4-GHz的共点交叉极化双环PCB天线,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.9,pp.1237-1240,2010。

文献[2]D.Piao,Y.Mao,and H.Zhang,“两种新颖的用于极化分集MIMO应用的共点双极化低耦合天线,”in Proc.The 2ndInternational Conference on Connected Vehicles&Expo(ICCVE2013),Las Vegas,USA,Dec.2-6,2013。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种3极化磁偶极子MIMO天线***。

一种共点、低耦合、正交、并具有高信道容量的3极化磁偶极子MIMO天线，3极化磁偶极子MIMO天线由3个相互正交的第一环天线、第二环天线和第三环天线组成，这第一环天线、第二环天线和第三环天线的几何中心位于空间中的同一点，分别馈电；每个环天线上具有均匀的电流分布，同时第一环天线、第二环天线和第三环天线间的耦合较低，从而具有较高的MIMO信道容量；

其中3极化磁偶极子天线中的第一环天线、第二环天线通过周期容性负载来实现均匀的电流分布；这种环天线印制在Teflon基板上，基板的性能参数为ε_r＝2.65、tanδ＝0.002，厚度h＝0.7mm；整个环被均匀的分割成八个部分，其中第一部分上连接着阻抗匹配转换器；

环的具体参数：外半径R₁＝23.5mm,内半径R₂＝20.5mm,每一段弧形带状线的角度为a₁＝44°,相邻弧形带状线之间的间隔是a₂＝1°。

本发明的优点首次利用共点、低耦合的三极化磁偶极子构成的具有较高信道容量的MIMO天线。与两极化磁偶极子天线相比，它能实现三个磁场极化分量的提取和利用，从而可以获得磁场分量的三个极化自由度。由于天线的结构为几何中心共点正交，使得整个天线***的尺寸缩小到(0.19λ)³，其中λ为自由空间中的工作波长，有利于空间尺寸受限的MIMO天线***的实现。此外，在实现紧凑结构的同时依然取得了较为理想的隔离度，工作频率为2.4GHz时，隔离度可以达到38dB。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1、共点、正交、低耦合的3极化磁偶极子天线示意图；

图2、单个磁偶极子1和2的结构示意图；

图3、共点、正交的2个磁偶极子天线示意图；

图4、第3个磁偶极子天线结构示意图；

图5、开缝后的单个磁偶极子1和2的结构示意图；

图6、3极化磁偶极子天线的反射性能示意图；

图7、3极化磁偶极子天线的耦合性能示意图；

图8(a)、3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线的信道容量比较；2极化磁偶极子曲线图；

图8(b)、3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线的信道容量比较；3极化磁偶极子曲线图；

图9(a)、收发天线高度相等时3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线MIMO信道矩阵特征值比较；2极化磁偶极子曲线图；

图9(b)、收发天线高度相等时3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线MIMO信道矩阵特征值比较；3极化磁偶极子曲线图；

图10(a)、收发天线高度不等时3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线MIMO信道矩阵特征值比较，2极化磁偶极子曲线图；

图10(b)、收发天线高度不等时3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线MIMO信道矩阵特征值比较，3极化磁偶极子曲线图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图所示，

本发明中公开了一种具有均匀电流分布的，共点、低耦合、正交3极化磁偶极子构成的MIMO天线***。

要构建一个共点、低耦合的3极化磁偶极子MIMO天线***，首先，天线单元的中心要位于空间中的同一个点并且保持互相垂直，以利于接收三个极化方向的磁场分量。其次，为了获得一个与磁偶极子类似的辐射方向图，环上的电流需要具有均匀分布。最后，更重要的是要使天线单元间的隔离度足够大以获得较大的辐射效率。

本发明中通过特殊设计的、具有均匀电流分布的环天线来构成一种低耦合的、正交3极化磁偶极子MIMO天线(第一环天线1、第二环天线2和第三环天线3)，如图1所示。

对于一个普通的环天线，很难实现环上均匀的电流分布，如图2所示，这种特殊设计的环，通过周期容性负载来实现均匀的电流分布，在图1的3极化磁偶极子天线中的第一环天线1、第二环天线2采用这种结构。

第一环天线1、第二环天线2被印制在Teflon基板上，基板的性能参数为ε_r＝2.65、tanδ＝0.002，厚度h＝0.7mm。

第一环天线1、第二环天线2的整个环被均匀的分割成八个部分，其中第一部分上连接着阻抗匹配转换器。以下是该环的具体参数：外半径R₁＝23.5mm,内半径R₂＝20.5mm,每一段弧形带状线的角度为a₁＝44°,相邻弧形带状线之间的间隔是a₂＝1°。

为了实现周期容性负载，在每一弧形带状线的一端加上互相交织的耦合线。这一部分的参数为：内部的弧形带状线宽w_s＝1mm，角度a₃＝11°,且与镂空带状线的内边界相隔g_s＝0.4mm，与镂空带状线底部相隔角度a₄＝1°。并行的两根带状线阻抗匹配器的长度为l_p＝13mm，宽度w_p＝0.5mm，它们间隔为0.8mm。

利用这种环的馈线间隙，可以很方便的在第一环天线1、第二环天线2的阻抗转换器之间的间隔中各切割出一条缝隙，这样刚好可以使它们能够构成一个共点、正交的2极化天线。需要注意到的是，缝隙的宽度是0.8mm，而整个基板的厚度是0.7mm，为了使印制铜带线不互相接触，两个环要互相错开0.1mm。如图3所示。

本发明的另一个关键问题是在实现了2个正交磁偶极子天线的基础上，如何***具有均匀电流分布的第3个磁偶极子，使它与另外2个磁偶极子具有相近的工作频带，并且具有较低的耦合。

而采用这种环结构的另一个好处是其中的金属部分都位于介质板的边缘，可以很方便的***第三环天线3。

但如果采用同样结构的环天线做为第3个环，则需要缩小第三环天线3的尺寸，但这样它的工作频率就改变了。

因此，为了使3个环有一个共同的工作频带，本发明中采用另外一种具有均匀电流分布的环天线来做为第3个磁偶极子，如图4所示。它是利用一种具有零传播常数的人工传输线来实现的环天线，使得该环的电流保持同向，从而得到类似磁偶极子的水平极化全向辐射模式。

它同样被印制在介质板上，平行的微带线印制在板的两面，介质板的材料是Teflon，性能参数为ε_r＝2.65，tanδ＝0.002，厚度h＝0.7mm。整个环由12个部分组成，上下各六个，其中第一个部分中间开口作为馈电口，经过参数优化不需要阻抗匹配器。

具体参数如下：环的中心半径为R＝14mm，每一段弧形带状线的角度a₁＝54°，相邻弧形带状线的间隙为a₂＝6°，微带线宽度为W＝4mm。

为了***第三个环，对图2所示的环中，开出了一条垂直于阻抗转换器的通过原点的长40mm，宽0.8mm的缝隙，如图5所示。

这样，得到了一种如图1所示的，紧凑的、正交的3极化磁偶极子MIMO天线***，它整个体积不大于23.5mm³。

在图6中，给出了天线的S_1,1、S_2,2和S_3,3，同时在图7中给出了S_1,2、S_2,1、S_1,3、S_3,1、S_3,2和S_2,3。从图6中看到，考虑回波损耗大于10dB的带宽，3个环可以重叠的工作带宽为2.35GHz至2.45GHz之间，可以满足工作于2.4GHz的ISM频段的WiFi等无线通信***的要求。此外还可以通过调整第三环天线3的参数，使它的工作频率位于2.28-2.85GHz之间，满足更宽频率范围的要求。

从图7中可以看到，天线单元工作在频率小于2.65GHz时隔离度均大于20dB。如果工作在2.4GHz，第一环天线1、第二环天线2的回波损耗为14dB，第三环天线3的回波损耗为28dB，3个天线的隔离度可以达到38dB。

实施例2：如图所示，

一个通信***的信道容量是衡量***性能的重要指标，它是指一个信道能够无错误传送的最大信息率。下面对这种3极化磁偶极子天线构成的MIMO***的信道容量与2极化磁偶极子天线的结果进行比较，其中的2极化磁偶极子天线由图1中的第一环天线1(磁偶极子)、第二环天线2(磁偶极子)构成。

MIMO***的信道容量计算公式为：

这里I是3×3的单位矩阵，n_T是发射天线的个数，SNR是接收信噪比，设为20dB，是矩阵H的共轭转置。

与单极化***相比，多极化MIMO***一般在多径丰富的环境中可以获得较大的信道容量增益，因此，选择了一个具有PEC(理想电导体)边界的走廊作为应用环境，因为这是一种多径较为丰富的环境。其中的信道矩阵通过HFSS软件仿真得到。

具体的仿真参数设置如下：走廊尺寸：200cm(长)×80cm(宽)×80cm(高)，发射天线高度h_t＝40cm,接收天线高度h_r分两种情况，#1：h_r＝40cm，#2：h_r＝20cm。在图8(a)、图8(b)中对3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线的信道容量进行了比较，图8(a)和图8(b)分别为2极化和3极化磁偶极子天线的信道容量的结果。其中图8(a)和图8(b)中的曲线1和曲线2分别对应上面的情况#1和情况#2。

从图8中可以看到，采用这种3极化磁偶极子天线可以获得的信道容量明显高于2极化磁偶极子天线，其增益约为1.5倍。

此外，对由这种3极化磁偶极子天线和2极化磁偶极子天线所构成的MIMO信道的特征值也进行了计算，因为一个MIMO信道的特征值的个数和大小反映了这个信道中所存在的独立并行子信道数(空间自由度)和每个子信道容量的大小。图9(a)、图9(b)和图10(a)、图10(b)分别是收发天线高度相同和不相同情况下的结果。

从图9(a)、图9(b)和图10(a)、图10(b)中可以看到，采用2极化磁偶极子天线可以获得的MIMO信道矩阵的特征值为2个，而通过3极化磁偶极子天线可以获得的特征值为3个。此外，特征值的大小还与收发天线的相对高度有关，与收发天线高度相等的情况相比，当收发天线高度不等时，3极化磁偶极子天线的第2个和第3个特征值会明显变小，因此相应的信道容量也会有所下降。

综上，本发明中提出了一种共点、正交、低耦合的3极化磁偶极子MIMO天线。经过对几何参数的调整优化，每个环形天线都取得了良好的阻抗匹配，可以工作在2.4GHz频段。通过这种3极化磁偶极子天线的特殊结构，在保证了天线***的紧凑性的同时，还取得了理想的天线单元间的隔离度，因此可以应用于3极化MIMO***中，提高对3个正交方向的磁场分量的获取能力，从而使信道容量获得提升，同时也可用于电磁矢量探测器(EMVS)的参考天线。

实施例3：如图所示，本发明的关键点是利用极化分集原理，提出了一种紧凑的，由3个磁偶极子(第一环天线1、第二环天线2和第三环天线3)构成的，几何中心共点、正交的，低耦合、高信道容量的3极化MIMO天线。

解决了3个环天线紧凑正交时，高隔离度的实现这一核心问题。此天线能够用于多极化MIMO通信***中，可以实现3个正交方向的磁场分量的获取，使信道容量增加。同时也可用作电磁矢量探测器(EMVS)的参考天线。此天线的具体特点描述如下：

这是一个三极化环天线构成的MIMO天线***，这些环天线中具有均匀的电流分布，从而具有类似磁偶极子天线的辐射性能。

首次实现了三个磁偶极子天线的共点正交，改善了多极化MIMO通信中对三个磁场分量的利用问题。

实现了紧凑的结构，对于2.4GHz的工作频率，整个***的体积为(0.19λ)³。

此天线具有较高的隔离度和较好的回波损耗性能，对于2.4GHz的工作频率，3个天线的隔离度可以达到38dB，第一环天线1、第二环天线2的回波损耗为14dB，第三环天线3的回波损耗为28dB。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种共点、低耦合、正交、并具有高信道容量的3极化磁偶极子MIMO天线，其特征在于3极化磁偶极子MIMO天线由3个相互正交的第一环天线、第二环天线和第三环天线组成，这第一环天线、第二环天线和第三环天线的几何中心位于空间中的同一点，分别馈电；每个环天线上具有均匀的电流分布，同时第一环天线、第二环天线和第三环天线间的耦合较低，从而具有较高的MIMO信道容量；

其中3极化磁偶极子天线中的第一环天线、第二环天线通过周期容性负载来实现均匀的电流分布；第三环天线利用一种具有零传播常数的人工传输线来实现均匀的电流分布，并使得第三环天线的电流保持同向，从而得到类似磁偶极子的水平极化全向辐射模式。

2.根据权利要求1所述的一种共点、低耦合、正交、并具有高信道容量的3极化磁偶极子MIMO天线，其特征在于第一环天线和第二环天线印制在Teflon基板上，基板的性能参数为ε_r＝2.65、tanδ＝0.002，厚度h＝0.7mm；整个环被均匀的分割成八个部分，其中第一部分上连接着阻抗匹配转换器；

环的具体参数：外半径R₁＝23.5mm,内半径R₂＝20.5mm,每一段弧形带状线的角度为a₁＝44°,相邻弧形带状线之间的间隔是a₂＝1°；

在每一弧形带状线的一端加上互相交织的耦合线；这一部分的参数为：内部的弧形带状线宽w_s＝1mm，角度a₃＝11°,且与镂空带状线的内边界相隔g_s＝0.4mm，与镂空带状线底部相隔角度a₄＝1°；并行的两根带状线阻抗匹配器的长度为l_p＝13mm，宽度w_p＝0.5mm，它们间隔为0.8mm。

3.根据权利要求1所述的一种共点、低耦合、正交、并具有高信道容量的3极化磁偶极子MIMO天线，其特征在于在第一环天线、第二环天线的阻抗转换器之间的间隔中各切割出一条缝隙，使它们能够构成一个共点、正交的2极化天线；缝隙的宽度是0.8mm，而整个基板的厚度是0.7mm，为了使印制铜带线不互相接触，两个环要互相错开0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种共点、低耦合、正交、并具有高信道容量的3极化磁偶极子MIMO天线，其特征在于在第一环天线、第二环天线这种环结构的金属部分都位于介质板的边缘，从而利于第三环天线的***；所***的具有均匀电流分布的第三环天线与第一环天线、第二环天线具有相近的工作频带，并且具有较低的耦合。

5.根据权利要求4所述的一种共点、低耦合、正交、并具有高信道容量的3极化磁偶极子MIMO天线，其特征在于第三环天线被印制在介质板上，平行的微带线印制在板的两面，性能参数为ε_r＝2.65，tanδ＝0.002，厚度h＝0.7mm；整个环由12个部分组成，上下各六个，其中第一个部分中间开口作为馈电口，经过参数优化不需要阻抗匹配器；

具体参数如下：环的中心半径为R＝14mm，每一段弧形带状线的角度a₁＝54°，相邻弧形带状线的间隙为a₂＝6°，微带线宽度为W＝4mm；

环中开出了一条垂直于阻抗转换器的通过原点的长40mm，宽0.8mm的缝隙。

6.根据权利要求4所述的一种共点、低耦合、正交、并具有高信道容量的3极化磁偶极子MIMO天线，其特征在于第一环天线、第二环天线和第三环天线可以重叠的工作带宽为2.35GHz至2.45GHz之间，工作于2.4GHz的ISM频段的WiFi无线通信***；调整第三环天线的参数，工作频率可位于2.28-2.85GHz之间；

天线单元工作在频率小于2.65GHz时隔离度均大于20dB；工作在2.4GHz，第一环天线、第二环天线的回波损耗为14dB，第三环天线的回波损耗为28dB，3个天线的隔离度能够达到38dB。