[发明专利]一种双极化天线单元、四极化天线以及MIMO系统

说明书

技术领域

本发明属于天线领域，特别地，涉及一种基于单环的双极化天线单元及其所构成的四极化天线以及MIMO系统。

背景技术

多输入多输出(MIMO)系统在发射和接收端同时采用多个天线，利用信道中的多径散射，可以同时建立多个并行的空间子信道，使通信系统的频谱效率和信道容量成倍提高，在802.11n，802.16和4G LTE等系统中已获得了广泛的应用，在第五代移动通信系统中，大规模MIMO技术也成为其核心技术之一。然而在基站和便携式移动设备中，用于放置天线的空间都很有限，因此如何实现紧凑型、低耦合的MIMO天线阵对大规模MIMO技术的应用和实施都具有至关重要的意义。

然而，为了获得较大的空间自由度和信道容量，要求MIMO信道矩阵中各元素的相关性足够低。在基于单极化天线的MIMO系统中，为了获得足够低的空间相关性，要求发射阵和接收阵中天线单元的间距都要足够大，在多径散射丰富的环境中所需的最小阵元间距为半个波长，而在多径稀疏的环境中可能要大于10个波长。因此单极化的MIMO系统在空间受限的应用中会受到很大限制，而基于多极化天线的MIMO系统可以很好地解决这个问题。在多极化天线构成的MIMO系统中，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系统也提供了一种紧凑型MIMO天线的实现技术，在密集阵元的MIMO通信系统和高分辨率MIMO雷达等系统中都具有广泛的应用前景。

由于距离很近的多个天线之间的耦合作用很强，很难获得低耦合的共点正交的多极化天线结构，因此目前人们对多极化天线的设计主要集中在二极化或三极化的MIMO天线，而对更多维极化天线的设计则较少见到。

在申请号为CN201610798681.X的发明专利申请中，也提出了一种双极化MIMO天线单元及所构成的四极化MIMO天线系统。其中的双极化MIMO天线由1个电偶极子天线和1个与之共面的环天线所构成，通过EBG材料的填加来降低此环天线和电偶极子天线间的耦合，并利用此双极化天线构成了一个共点正交的四极化MIMO天线。其中的双极化电、磁偶极子天线单元是采用分别设计的二个独立的天线，它们之间的耦合较大，需要通过添加电磁带隙(EBG)材料来提高二个天线的隔离度，天线的设计和整体结构较为复杂。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种双极化天线单元、四极化天线以及MIMO系统。

本发明的第一方面，提出一种双极化天线单元，所述天线单元包括单环天线本体，其特征在于，所述单环天线本体上具有零相移结构，所述单环天线本体上还具有第一激励端口(100)和第二激励端口(101)；在所述第一激励端口(100)馈电时，在所述第一激励端口输入第一激励电流，所述零相移结构使得所述单环天线中形成幅度均匀且同相的电流分布，其辐射特性等效为磁偶极子；在所述第二激励端口(101)馈电时，在所述第二激励端口输入第二激励电流，在第二激励电流的作用下，所述零相移结构使得所述单环天线中形成关于两个馈电的连线对称的幅度相等、方向相反电流的分布，在所述第二激励电流的激励下，以使得所述环天线的辐射特性等效为与所述磁偶极子正交的电偶极子。

进一步地，所述单环天线本体的形状为圆环结构、椭圆环结构、矩形环结构、三角环结构中的一种。

进一步地，所述第一激励端口的馈电结构采用共面带状线结构。

进一步地，所述第二激励端口的馈电结构采用共面波导结构。

进一步地，所述零相移结构为沿所述单环天线本体周向分布的二维栅格排列形成的准周期结构。

本发明的第二方面，提出一种四极化天线，所述四极化天线由两个前述的双极化天线单元共点正交构成。

本发明的第三方面，提出一种MIMO系统，所述MIMO系统包含所述四极化天线。

本发明能够达到的有益效果：本发明采用同一个金属环结构作为辐射主体，通过不同的激励位置和结构来实现共点正交的双极化电、磁偶极子天线，它们的耦合较低，不需要添加任何辅助结构来提高其隔离度，因此整个天线的结构和设计都更为简洁，实现方便。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1为本发明实施例中双极化电、磁偶极子天线结构示意图。

图2为本发明实施例中双极化电、磁偶极子天线的S参数图。

图3(a)为本发明实施例中双极化天线端口101激励时电流分布图。

图3(b)为本发明实施例中双极化天线端口100激励时电流分布图。