[发明专利]基于正交模式的平面紧凑型低耦合四极化MIMO天线

说明书

本发明公开了一种基于正交模式的平面紧凑型低耦合四极化MIMO天线，包括基于正交模式的第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体采用环状结构，所述第二辐射体采用微带贴片结构，在第一辐射体上获得电偶极子(Ex)和磁偶极子(Hz)的辐射模式，在第二辐射体获得两种正交的TM11微带天线模式(Hx、Hy)。本发明充分利用了第一辐射体的内部空间，将第二辐射体置于第一辐射体内，在平面结构内获得四种极化模式，具有结构紧凑、低耦合等特性；通过分形结构降低第二辐射体TM11模式工作频率，与第一辐射体工作于同一频带。本发明有效利用电磁场矢量特性，通过紧凑的结构可以在多径丰富的传播环境中获得大于3×3、接近4×4独立同分布瑞利信道的信道容量。

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是一种基于正交模式的平面紧凑型低耦合四极化MIMO天线，可以用于无线通信、大规模MIMO天线阵等领域。

背景技术

随着无线通信技术的蓬勃发展，频谱资源日趋紧张，尽可能地开发利用现有的频段、提高频谱利用率成为必然趋势。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，简称MIMO)技术通过在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，可以建立多个并行的空间子信道，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍提高系统信道质量。近年来，随着5G及下一代移动通信系统中大规模和超大规模MIMO技术的发展，基站及移动终端对天线体积、质量等要求愈来愈高，天线设计向小型化、紧凑型、便携化方向改进，人们迫切需要紧凑型小型化的天线来满足日益增长的市场需求，采用极化分集技术的多极化MIMO天线技术被提出并被证明可以很好地解决这个问题。

多极化天线，也称为矢量天线，可以通过利用空间中所有六个电磁场Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz矢量分量在丰富的散射环境中提供最多六个自由度，可以使MIMO天线以空间共点的形式形成多个独立的并行子信道，因此是实现紧凑型MIMO天线阵的一种重要技术。由于实现共点正交、低耦合、结构紧凑的多极化天线比较困难，目前已有的多极化天线多采用双极化和三极化天线的设计，而对四极化以及更多重极化的天线设计则相对较少。

现有技术的缺点主要包括：(1)电偶极子与环天线相比，结构较为简单，更容易通过不同的极化方向来获得低耦合的多极化天线，但其无法对空间中的磁场分量进行充分地利用。而在由电偶极子和环天线组合而成的多极化天线中，电偶极子和环天线之间的耦合很难去除，特别是在共面的情况下，通常需要添加去耦合网络、EBG等结构来提高端口隔离度，因此由电偶极子和环天线共同组成的多极化低耦合电磁偶极子天线设计难度更高。(2)为了分别获得正交的电场和磁场分量，通常需要将电偶极子天线和环天线单元正交放置，由此组成的立体结构会增加设计和加工难度。目前所提出的几种四极化MIMO天线均为立体结构，天线结构及馈电网络复杂，不利于集成，在一些特定的使用场景中很难得到应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种低耦合、结构紧凑、利于集成的基于正交模式的平面紧凑型低耦合四极化MIMO天线。

技术方案：本发明所述的基于正交模式的平面紧凑型低耦合四极化MIMO天线，包括基于正交模式的第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体采用环状结构，通过不同的激励位置和激励方式，分别控制环上的表面电流方向获得两个正交的辐射模式，即电偶极子(Ex)和磁偶极子(Hz)的辐射模式，具体地，当环上的表面电流均匀同向时，获得磁偶极子(Hz)的辐射模式，此时辐射体上没有电流零点，称之为偶模；当第一辐射体上的表面电流关于x轴对称，方向相反时，得到电偶极子(Ex)的辐射模式，此时辐射体上有一个电流零点，称之为奇模；所述第二辐射体采用微带贴片天线，第二辐射体经过小型化处理，可以在其面积受限的情况下，降低其TM11模式的工作频率，使其与第一辐射体工作在同一带宽内。通过在x轴和y轴两个正交的位置激励，第二辐射体可以获得两个正交的TM11微带天线工作模式(Hy、Hx)。

所述第一辐射体由两个同心的、基于零相移传输线的环天线构成。