一种用于降低多天线系统中天线耦合的去耦合装置及方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于降低多天线系统中天线耦合的去耦合装置及方法。

背景技术：

以信息技术为基础的知识经济是现今世界最重要的两大经济领域之一，其中以第五代移动通信(5G)为领头的通信技术正引发信息产业新的革命，逐渐成为国际竞争热点和制高点之一。5G技术能把上网速度提高到第四代移动技术的1000倍以上，可实现高质量的三维数据和图像传输，需要有更大的通信带宽和频谱利用率。在这种情况下，大规模MIMO(Massive MIMO)多天线技术成为当前的研究热点。MIMO技术利用建立在发射端和接收端的多天线实现的多空间通道发送和接收数据，在不增加系统带宽的情况下增加频谱利用率，能有效提高系统的传输速率；该技术对于缓解无线频谱资源日趋紧张的现状和提高5G通信系统性能具有深远的意义。

虽然MIMO系统在理想情况下，信道容量可随天线数目线性增加(功率和带宽固定)。但在实现中，由于实际空间的限制，天线单元间距往往不足半波长，从而信道的相关性变强、信噪比变差，天线效率下降，造成实际的信道容量和吞吐率降低。另一方面，较小的间距会引入谐振单元之间不必要的耦合，从而改变其方向图，不适合大规模MIMO的组阵。因此如何在较小体积内实现有效的多单元天线解耦，降低其相关性，获得分集增益以及提高信道容量已成为学术界和工业界共同关注的热点问题。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明提供一种用于降低多天线系统中天线耦合的去耦合装置及方法，在较小体积内实现有效的多单元天线解耦，降低其相关性。

本发明的技术方案是：

一种用于降低多天线系统中天线耦合的去耦合装置，所述多天线系统包括至少两个连接收发机的天线，所述去耦合装置包括至少一个分别放置在多天线系统中各天线之间的寄生天线，每个寄生天线分别端接有负载。

优选的，所述寄生天线为单极子，倒F天线，环形天线，微带天线中的一种或多种的组合。

优选的，所述负载为开路传输线、短路传输线、接地电容、接地电感、LC串联谐振回路中的一种或多种的组合。

优选的，所述多天线系统为大规模MIMO多天线阵列，路由器天线，手机天线，数据卡天线中的一种。

优选的，所述大规模MIMO多天线阵列按四单元方形子阵排布，对应的每个子阵中设置四个寄生天线，每个寄生天线分别设置在方形四个边线的内侧。

优选的，所述大规模MIMO多天线阵列按三单元三角形子阵排布，对应的每个子阵的三角形内侧设置一个寄生天线。

优选的，所述大规模MIMO多天线阵列按四单元线形子阵排布，对应的每个子阵中设置三个寄生天线，每个寄生天线分别设置在相邻两个原天线单元之间。

优选的，所述多天系统的每个天线设置有匹配网络，使得加入端接负载的寄生天线阵之后，原多天线系统的匹配状态不发生改变。

本发明还提供了一种用于降低多天线系统中天线耦合的去耦合装置的去耦方法，包括：提取含有多天线系统和寄生天线系统组成的阵列的导纳矩阵，通过调整寄生天线的自导纳，以及寄生天线之间和寄生天线与多天线系统之间的互导纳，以及寄生天线端接的负载导纳，使得多天线系统一对或多对天线之间的互导纳尽可能的小，互耦合低于25dB。

进一步的，设置端接在所述寄生天线本体上的负载的形式和数值，进一步减小所述多天线系统一对或多对天线之间的互耦合至30dB以下。

进一步的，设置所述多天线系统的匹配电路，使得加入寄生天线之后，所述原多天线系统天线单元的匹配状态不发生恶化。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供一种用于降低多天线系统中天线耦合的去耦合装置及方法，在多天线系统中各天线之间分别放置寄生天线，每个寄生天线分别端接有负载，根据原有多天线系统中各天线之间的耦合状态，调整所述多个寄生天线的相对位置，形状，谐振频率以及所述端接负载的数值，可以显著降低两个以上的多天线系统之间任意天线之间在相同频段或相近频段的耦合；减小天线之间互相的干扰，提高系统的信噪比，进而提升通信的吞吐率，可靠性并降低时延。

本发明提出的方法和设备非常适合新一代移动通信系统所要求的全双工收发，载波聚合以及大规模多输入多输出天线系统。

附图说明

图1为本发明所述的多天线阵列和若干端接负载的寄生天线的布局示意；

图2为本发明中一种针对大规模MIMO天线阵中四单元方形子阵的寄生天线排布示意；

图3为本发明中一种针对大规模MIMO天线阵中三单元三角形子阵的寄生天线排布示意；

图4为本发明中一种针对大规模MIMO天线阵中四单元线形子阵的寄生天线排布示意；

图5为本发明实例中寄生天线端接负载的具体实现形式示意图；

图6为本发明一种针对大规模MIMO阵列中四单元方形微带天线阵采用寄生的微带单元解耦的具体的实施方案；

图7为实施方案的解耦前后原天线阵任意一对天线之间的隔离度示意图；

图8为实施例中外接匹配网络的多天线阵列和若干端接负载的寄生天线的布局示意。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，为本发明所揭示的一种用于降低多天线系统中天线耦合的去耦合装置，所述多天线系统包括至少两个连接收发机的天线，所述去耦合装置包括至少一个分别放置在多天线系统中各天线之间的寄生天线，每个寄生天线分别端接有负载。

本实施方式提供一种无线LTE通讯设备中降低天线耦合和互扰的方法，采用如下技术方案:

如图2所示，在一个大规模MIMO阵单元之中，加入寄生天线单元，所述大规模MIMO多天线阵列按四单元方形子阵排布，对应的每个子阵中设置四个寄生天线，每个寄生天线分别设置在方形四个边线的内侧。设置寄生天线单元的形状，相对位置，使得原MIMO天线阵单元之间的耦合尽可能的小。具体的设置方式为：

提取如图1所示的阵列的导纳矩阵，该阵列包括三部分：多天线阵列，寄生天线，寄生天线端接负载。

提取出的导纳矩阵表示为：

其中，电流矩阵I和电压矩阵V具体表示为：

参考图2中标出的具体的导纳参数，对应的导纳子矩阵详细表示为：

考虑到寄生天线单元端接负载Y1,Y2,Y3,Y4之后，有如下的电流电压关系

其中，负载矩阵YL是一个对角阵:

将(5)式代入(1)式中，最终得到：

因此，若只提取加入寄生天线单元和端接负载之后的原多天线阵的导纳矩阵，应该如下式所表示：

对比(7)和(8)两式，可以得到：

对于互耦较强的原多天线阵，其互导纳YA和YB通常比较大，而加入寄生天线单元之后，从(9)和(10)两式可以看出，设置寄生天线本身的特性，可以改变式中的自导纳YII；而改变寄生天线相对的位置，排布，则可以改变式中的互导纳：YC,YD,YE,YF；改变寄生天线单元端接负载，可以改变式中的YL，通过计算设置所述的导纳参数，可以使得互导纳YA’和YB’尽可能接近0。互导纳接近0，就意味着天线阵各单元之间的互耦足够的小。

进一步的，除了图2示出的阵列形式，本发明所提出的解耦方法还可以适用于图3所示的三角阵列，所述大规模MIMO多天线阵列按四单元线形子阵排布，对应的每个子阵中设置三个寄生天线，每个寄生天线分别设置在相邻两个原天线单元之间。图3所示的排布方式，常见于Wi-Fi路由器等终端上。采用与式(1)～(10)示出的同样的设计和计算方法，可以采用一个寄生天线单元，降低所有三对天线之间的互耦。

进一步的，本发明所提出的解耦方法也可以适用于如图4所示的多单元线阵。所述大规模MIMO多天线阵列按四单元线形子阵排布，对应的每个子阵中设置三个寄生天线，每个寄生天线分别设置在相邻两个原天线单元之间，采用与式(1)～(10)示出的同样的设计和计算方法，可以降低所有天线之间的互耦。

所述寄生天线端接的负载，可以有如图5所示的多种实现形式：

1：开路传输线；

2：短路传输线；

3：接地电容；

4：接地电感；

5：LC串联谐振回路。

图6是本发明的一种具体的实施示例。针对一个设置在底板1＇上的四单元微带天线阵列，天线单元2＇之间的耦合在受限的间距下是比较大的，通过设置四个同样由微带天线构成的寄生天线单元3＇，并进一步的设置通过馈电点4＇连接的负载5＇，可以降低所有天线单元2＇之间的各种互耦。

解耦前后，原多天线阵中的各天线之间的互耦比较，详见图7。可以看到，在解耦之前，天线单元之间的互耦一般大于10dB，而通过所述端接负载的寄生天线解耦之后，互耦可以降低到25dB以下。

如图8所示，在加入寄生天线之后，可以进一步的设置原天线阵之后的匹配网络，使得在耦合降低的同时，所述原多天线阵中各天线的匹配状态不受很大的影响。

需要说明的是，所述无线设备包括但不限于基站，路由器，手机，数据卡，也可以应用于其他使用了多天线环境的无线通信终端。

以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。