CN110571533A - Mimo天线的功分网络 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MIMO天线的功分网络，包括：馈电功分网络和辐射单元；辐射单元按预设的组阵间距排列，辐射单元构成多组辐射单元模块，每组辐射单元模块中的辐射单元属于同一列；馈电功分网络用于给辐射单元模块馈电；馈电功分网络包括功分器；功分器为等幅功分器，每个功分器的输出口的功率相等；每个功分器的相位存在相位差；每个辐射单元模块以预设的下倾角度下倾。本发明保证辐射单元模块增益由幅度分布设计带来的损失达到最小；使得MIMO天线中一列辐射单元之间的相位差更为均匀平缓，有效减少MIMO天线的业务波束在大下倾角度状态下的增益损失，同时保证MIMO天线业务波束在0°下倾角度状态下增益损失减小。

Description

MIMO天线的功分网络
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种MIMO天线的功分网络。
背景技术
随着智能移动终端的高速发展，无线数据流量呈指数级增长。物联网的引入及快速发展，对未来无线通信***提出更高的要求。
传统的2D-MIMO(Two Dimension Multi Input Multi Output，二维多输入多输出)技术，天线一般采用一维直线阵列天线，端口数较少导致波宽较宽，基站之间干扰较为严重，且只能在水平维度机械调整波束方向，无法将垂直维度的能量集中到用户终端，通信效率较低。
相对于传统的2D-MIMO技术，3D-MIMO技术中天线采用二维大规模平面阵列，通过波束赋型，能实现较窄波束，基站之间干扰大大降低。另外，根据用户的位置，波束在水平维度和垂直维度可实时调整和跟踪，始终保持波束能量集中到用户终端，通信质量大大提高；同时同频能够服务更多的用户，极大提高通信容量。
大规模平面阵列天线单元数较多，在一定的工作频率条件下，减小单元的组阵间距能有效减小天线尺寸，单位面积下能够布局更多的天线数量，重量更轻，降低运营成本。然而，天线组阵间距的减小会导致单元间的能量互耦更强，进而导致天线隔离度变差、方向图产生畸变，从而导致天线性能指标恶化，影响通信效率。
发明内容
为克服上述现有技术中大规模阵列天线隔离度较差，产生增益损失的问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种MIMO天线的功分网络。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种MIMO天线的功分网络，包括馈电功分网络和辐射单元；
所述辐射单元按预设的组阵间距排列，所述辐射单元构成多组辐射单元模块，每组辐射单元模块中的辐射单元属于同一列；
所述馈电功分网络用于给所述辐射单元模块馈电；
所述馈电功分网络包括功分器；
所述功分器为等幅功分器，每个功分器的输出口的功率相等；
每个功分器的相位存在相位差；
每个辐射单元模块以预设的下倾角度下倾。
根据本发明实施例第二方面提供一种MIMO天线，包括上述任一所述MIMO天线的功分网络、去耦装置、天线反射板和耦合校准网络。
本发明实施例提供一种MIMO天线的功分网络，功分器的幅度为等幅设计，所有输出口的功率相等，保证辐射单元模块增益由幅度分布设计带来的损失达到最小，减少MIMO天线整机增益损失，提高MIMO天线整机增益；功分器相位按一定的相位差设计，根据实际需求，辐射单元模块201预置一定的下倾角度，使得MIMO天线中一列辐射单元之间的相位差更为均匀平缓，有效减少MIMO天线的业务波束在大下倾角度状态下的增益损失；同时，保证MIMO天线业务波束在0°下倾角度状态下增益损失减小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中馈电功分网络结构示意图；
图2为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中辐射单元结构示意图；
图3为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中馈电功分网络给辐射单元馈电的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中功分模块结构示意图；
图5为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中功分器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中辐射单元模块的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中功分器与辐射单元馈电连接示意图；
图8为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中功分器的一个输出口的相位超前360°的示意图；
图9为本发明实施例提供的MIMO天线的功分网络中功分器的输出口位置及主馈线布局示意图；
其中，10、馈电功分网络，101、横向功分模块间距，102、纵向功分模块间距；20、辐射单元，201、辐射单元模块，202、横向组阵间距，203、纵向组阵间距；30、馈电功分网络和辐射单元的整体结构；40、功分模块，401、403为输入口，402、404为功分器；501、502为功分器，5011-5016、5021-5026为输出口；60、辐射单元模块；601-603、辐射单元，6011-6014、6021-6024、6031-6034为馈电点；701、702为功分器；80、功分器的输出口相位；90、功分器布局，901、输入口，902、中心线，903、辐射单元的辐射面，904、主馈线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在本发明的一个实施例中提供一种MIMO天线的功分网络，包括馈电功分网络10和辐射单元20；所述辐射单元20按预设的组阵间距排列，所述辐射单元构成多组辐射单元模块201，每组辐射单元模块201中的辐射单元20属于同一列；所述馈电功分网络10用于给所述辐射单元模块201馈电；所述馈电功分网络10包括功分器；所述功分器为等幅功分器，每个所述功分器的输出口的功率相等；每个所述功分器的相位存在相位差；每个辐射单元模块201以预设的下倾角度下倾。
图1为馈电功分网络10的示意图，图2为辐射单元20的结构示意图。MIMO天线中的辐射单元按预设的组阵间距排列，如图2所示。通过馈电功分网络10给辐射单元20馈电，图3中显示了馈电功分网络和辐射单元的整体结构30。
MIMO天线的通道数可以根据实际应用情况设计，常见的有4、8、16、32、64、128通道。每个通道的辐射单元个数可以根据实际应用情况设计。一般1个通道的辐射单元个数N的范围在2～12个之间，1个通道的N个辐射单元形成1组辐射单元模块201。图2中1组辐射单元模块201由3个辐射单元组成，但不限于3个。1组辐射单元模块对应有2个通道，2个通道对应1组辐射单元模块的2个极化，且这两个通道相邻。辐射单元模块之间按辐射单元模块中辐射单元预先设定的组阵间距呈周期性排列。优选地，辐射单元模块预先设定的下倾角度的范围为0～10°。
馈电功分网络10包括多个功分器，馈电功分网络10通过功分器给辐射单元20馈电。功分器的幅度为等幅设计，每个功分器的所有输出口的功率相等。功分器的相位按预设的相位差设计。
MIMO天线中的PCB介质基板可以为2层微带线板设计，也可为3层带状线设计。在实际应用中，PCB介质基板一般选用2层微带线板设计，成本较3层带状线低50％以上。2层微带线PCB板结构为：下层为金属地板，中间为介质基板，上层为本实施例中的功分网络。
本实施例中功分器的幅度为等幅设计，所有输出口的功率相等，保证辐射单元模块增益由幅度分布设计带来的损失达到最小，减少MIMO天线整机增益损失，提高MIMO天线整机增益；功分器相位按一定的相位差设计，根据实际需求，辐射单元模块201预置一定的下倾角度，使得MIMO天线中一列辐射单元之间的相位差更为均匀平缓，有效减少MIMO天线的业务波束在大下倾角度状态下的增益损失；同时，和辐射单元模块预置0°下倾相比，保证MIMO天线业务波束在0°下倾角度状态下增益损失减小。
在上述实施例的基础上，如图4所示，本实施例中所述馈电功分网络10包括多个功分模块40，所有所述功分模块40按预设的功分模块间距呈周期性排列，构成馈电功分网络10；每个所述功分模块40包括两个功分器，即功分器402和功分器404；
对于任一所述功分模块40，该功分模块40中的一个功分器402用于给一组辐射单元模块201的一个极化馈电，该功分模块40中的另一个功分器404用于给所述一组辐射单元模块201的另一个极化馈电。
功分模块40的数量为MIMO天线中通道数量的0.5倍，由于1个功分模块40由2个功分器组成，功分器的数量为功分模块40数量的2倍。
在上述实施例的基础上，如图4所示，本实施例中每个所述功分器有一个输入口，如功分器402的输入口401，功分器404的输入口403。所述输入口连接MIMO天线中对应耦合校准网络的通道线；
每个所述功分器的输出口数量为每组辐射单元模块中辐射单元的个数与每个辐射单元的馈电点数乘积的一半。如图5中功分器501的输出口为输出口5011-5016，功分器502的输出口为输出口5021-5026，每个功分器的输出口数量为1组辐射单元模块201中辐射单元的数量3乘以1个辐射单元的馈电点数4的乘以的二分之一，即3*4*0.5＝6，功分器501和功分器502的输出口数量为6个。6个输出口的幅度为等幅设计，辐射单元模块201增益由幅度分布设计带来的损失达到最小，减少MIMO天线整机增益损失，提高MIMO天线整机增益
每个所述功分器的输出口连接一个辐射单元模块中对应辐射单元的同一个极化的馈电点。
如图6所示，MIMO天线中的一个辐射单元模块60由3个辐射单元组成，每个辐射单元有4个馈电点。第一个辐射单元601包括馈电点6011-6014，第二个辐射单元602包括馈电点6021-6024，第三个辐射单元603包括馈电点6031-6034。
如图7所示，功分器701从上到下的第1、2个输出口分别连接辐射单元1从左下角开始顺时针方向的第3、1个馈电点，功分器701的第3、4个输出口分别连接辐射单元2的第3、1个馈电点，功分器701的第5、6个输出口分别连接辐射单元3的第3、1个馈电点。功分器701给1个辐射单元模块中3个辐射单元的﹢45°极化馈电。
功分器702从上到下的第1、2个输出口分别连接辐射单元1从左下角开始顺时针方向的第2、4个馈电点，功分器702的第3、4个输出口分别连接辐射单元2的第2、4个馈电点，功分器702的第5、6个输出口分别连接辐射单元3的第2、4个馈电点。功分器702给1个辐射单元模块中3个辐射单元的-45°极化馈电。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述组阵间距包括横向组阵间距202和纵向组阵间距203。所述横向组阵间距202的范围一般为0.4λ～0.9λ，所述纵向组阵间距203的范围通常为0.5λ～0.9λ。典型横向组阵间距*纵向组阵间距为0.5λ*0.6λ。其中，λ为MIMO天线的工作频段的中心频点在自由空间中的波长。
所述功分模块间距包括横向功分模块间距101和纵向功分模块间距102；所述横向功分模块间距101为1倍的所述横向组阵间距202；所述纵向功分模块间距102为n倍的所述纵向组阵间距203；其中，n为所述一组辐射单元模块中辐射单元的个数。当一组辐射单元模块中辐射单元的个数为3时，n为3。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述辐射单元20为2个点馈电的双极化辐射单元或4个点馈电的双极化辐射单元；所述2个点馈电的双极化辐射单元为半波形式辐射单元或全波形式辐射单元；所述4个点馈电的双极化辐射单元为低剖面的微带贴片单元。
在上述实施例的基础上，本实施例中在每个辐射单元模块的所有辐射单元的同一个极化馈电点中，其中一个馈电点的相对相位超前或滞后其余馈电点的相对相位360°。
图8中显示了功分器的输出口相位80，标出了功分器每个输出口的相位。在四点馈电的1分6功分器网络中，通过设计某一端口的相位差为360°，使得2个极化间耦合信号叠加时，波峰与波峰错开，改善2个极化间耦合信号叠加加强的情况，从而达到优化隔离度的问题。
在上述实施例的基础上，如图9所示，本实施例中在功分器布局90中，所述功分器的输入口901的主馈线904走线和所述辐射单元的辐射面903错开；所述功分器的输入口901位于相邻两个所述辐射单元之间的中心线902上，尽量远离辐射单元，从而最大限度减弱辐射单元和功分器之间的能量耦合，从而改善隔离度及方向图指标。
在本发明的另一个实施例中提供一种MIMO天线，包括上述任一实施例中的MIMO天线的功分网络、去耦装置、天线反射板和耦合校准网络。
本实施例中MIMO天线的功分网络中功分器的幅度为等幅设计，所有输出口的功率相等，保证辐射单元模块增益由幅度分布设计带来的损失达到最小，减少MIMO天线整机增益损失，提高MIMO天线整机增益；功分器相位按一定的相位差设计，根据实际需求，辐射单元模块201预置一定的下倾角度，使得MIMO天线中一列辐射单元之间的相位差更为均匀平缓，有效减少MIMO天线的业务波束在大下倾角度状态下的增益损失；同时，和辐射单元模块预置0°下倾相比，保证MIMO天线业务波束在0°下倾角度状态下增益损失减小。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种MIMO天线的功分网络，其特征在于，包括馈电功分网络和辐射单元；
所述辐射单元按预设的组阵间距排列，所述辐射单元构成多组辐射单元模块，每组辐射单元模块中的辐射单元属于同一列；
所述馈电功分网络用于给所述辐射单元模块馈电；
所述馈电功分网络包括功分器；
所述功分器为等幅功分器，每个功分器的输出口的功率相等；
每个功分器的相位存在相位差；
每个辐射单元模块以预设的下倾角度下倾。
2.根据权利要求1所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，所述馈电功分网络包括多个功分模块，所有所述功分模块按预设的功分模块间距呈周期性排列；
每个所述功分模块包括两个功分器；
对于任一所述功分模块，该功分模块中的一个功分器用于给一组辐射单元模块的一个极化馈电，该功分模块中的另一个功分器用于给所述一组辐射单元模块的另一个极化馈电。
3.根据权利要求1所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，每个所述功分器有一个输入口，所述输入口连接MIMO天线中对应耦合校准网络的通道线；
每个所述功分器的输出口数量为每组辐射单元模块中辐射单元的个数与每个辐射单元的馈电点数乘积的一半；
每个所述功分器的输出口连接一个辐射单元模块中对应辐射单元的同一个极化的馈电点。
4.根据权利要求2所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，所述组阵间距包括横向组阵间距和纵向组阵间距；
所述功分模块间距包括横向功分模块间距和纵向功分模块间距；
所述横向功分模块间距为1倍的所述横向组阵间距；
所述纵向功分模块间距为n倍的所述纵向组阵间距；其中，n为所述一组辐射单元模块中辐射单元的个数。
5.根据权利要求4所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，所述横向组阵间距的范围为0.4λ～0.9λ，所述纵向组阵间距的范围为0.5λ～0.9λ；其中，λ为MIMO天线的工作频段的中心频点在自由空间中的波长。
6.根据权利要求1所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，所述辐射单元为2个点馈电的双极化辐射单元或4个点馈电的双极化辐射单元；
所述2个点馈电的双极化辐射单元为半波形式辐射单元或全波形式辐射单元；
所述4个点馈电的双极化辐射单元为微带贴片单元。
7.根据权利要求1所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，所述下倾角度的范围为0～10°。
8.根据权利要求1所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，在每个辐射单元模块的所有辐射单元的同一个极化馈电点中，其中一个馈电点的相对相位超前或滞后其余馈电点的相对相位360°。
9.根据权利要求1所述的MIMO天线的功分网络，其特征在于，所述功分器的输入口的主馈线走线和所述辐射单元的辐射面错开；
所述功分器的输入口位于相邻两个所述辐射单元之间的中心线上。
10.一种MIMO天线，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述MIMO天线的功分网络、去耦装置、天线反射板和耦合校准网络。
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