[发明专利]一种3极化磁偶极子MIMO天线系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种3极化磁偶极子MIMO天线系统，属于无线通信系统技术领域。

背景技术

由于MIMO技术在提高无线通信系统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系统的天线能够获得足够大的空间自由度。一个MIMO系统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系统中，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系统的应用受到了很多限制，而基于多极化天线的MIMO系统可以很好的解决这个问题。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天线提供了一种紧凑型MIMO系统的实现技术。

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系统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系统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 2nd International 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天线系统。

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°。