本发明属于天线领域，特别地，涉及一种基于F-P腔的MIMO天线。
背景技术：
多输入多输出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术在发射端和接收端同时采用多个天线阵元，结合空时信号处理技术，能通过增加收发天线阵元的个数有效地提高通信系统的频谱效率和信道容量而不需要额外增加频带资源，因此该技术在无线通信领域中得到了广泛应用。然而，随着移动互联网和高清视频传输等高数据率无线应用的增加，6GHz以下频段已经非常拥挤，因此，人们把目光转向了30GHz-300GHz的毫米波频段。因为在此频段内，可以很方便地获得上GHz的大段带宽，从而可以有效缓解6GHz以下频段频谱资源匮乏的现状。然而，电磁波的路径传播损耗与频率的平方成正比，因此，工作在毫米波频段的电磁波与工作在低频段的电磁波相比，会产生更大的路径传播损耗，比如，在自由空间中，对于相同的传输距离，频率为30GHz的电磁波比频率为3GHz的电磁波的路径传播损耗会增加20dB。因此，为了抵消毫米波频段的强路径损耗，要求我们设计具有高增益的多端口MIMO天线。
此外，MIMO系统的信道容量会随着收发天线阵中阵元个数的增加而线性增加，因此，为了获得高信道容量的MIMO系统，需要在发射和接收端都采用具有多阵元数的天线。在传统的微带天线阵中，为了获得高增益，大多采用先将多个辐射天线单元并联成阵组成MIMO天线中的一个端口，如果采用这种结构来实现高增益、多端口的MIMO天线，所需天线阵的尺寸将与所获得的增益大小和MIMO端口个数成线性关系增加。因此，为了获得高增益、多端口的MIMO系统，所需的天线阵尺寸巨大。此外，在这些天线阵中，复杂的馈电网络设计也是一大难题，为了实现阻抗匹配需要设计并反复修改馈电网络，并且要获得天线的增益越高，需要的天线单元数越多，馈电网络的设计越复杂，馈电网络所带来的损耗也越大，实际加工实现难度越大。因此获得紧凑型、高增益、多端口的MIMO天线设计存在很大挑战。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于F-P谐振腔的MIMO天线，该天线具有结构紧凑，增益高，多端口的特点。
具体地，本发明的第一方面，提供一种基于F-P腔的MIMO天线，所述天线具有如下结构：金属地板，底层介质基板，多个金属辐射帖片，介质腔，上层介质板，周期性金属贴片；所述上层介质板与所述周期性金属贴片共同组成部分反射表面PRS；所述部分反射表面PRS、介质腔以及金属地板和底层介质基板共同构成F-P振荡腔；所述部分反射表面PRS构成所述F-P振荡腔的一端，所述金属地板和底层介质基板构成所述F-P振荡腔的另一端；所述多个金属辐射贴片设置于所述介质腔内部；激励源施加于每个金属辐射贴片与所述金属地板之间。
本发明的第二方面，提供一种基于F-P腔的MIMO天线，所述天线具有如下结构：金属地板，底层介质基板，多个金属辐射帖片，介质腔，上层介质板，周期性金属贴片；所述上层介质板与所述周期性金属贴片共同组成部分反射表面；所述部分反射表面、介质腔以及金属地板和底层介质基板共同构成F-P振荡腔；所述部分反射表面PRS构成所述F-P振荡腔的一端，所述金属地板和底层介质基板构成所述F-P振荡腔的另一端；所述多个金属辐射贴片设置于所述介质腔内部；双激励源施加于每个金属辐射贴片与所述金属地板之间。
本发明的第三方面，提供一种基于F-P腔的MIMO天线，所述天线具有如下结构：金属地板，底层介质基板，多个二元天线子阵，介质腔(35)，上层介质板，周期性金属贴片；所述上层介质板与所述周期性金属贴片共同组成部分反射表面PRS；所述部分反射表面PRS、介质腔以及金属地板和底层介质基板共同构成F-P振荡腔；所述部分反射表面PRS构成所述F-P振荡腔的一端，所述金属地板和底层介质基板构成所述F-P振荡腔的另一端；所述多个二元天线子阵设置于所述介质腔内部；激励源施加于每个二元天线子阵与所述金属地板之间。
本发明的第四方面，提供一种基于F-P腔的MIMO天线，所述天线具有如下结构：金属地板，多个激励源，介质腔，部分反射表面；所述介质腔位于金属地板和部分反射表面之间，并与所述金属地板和部分反射表面构成F-P谐振腔结构；在所述介质腔中设置多个激励源。
本发明具有如下有益效果：在本发明提出的系统中，在F-P谐振腔的PRS和地板之间的介质中放置多个激励源构成多端口MIMO天线的多个激励端口，可以利用同一个F-P谐振腔来提高所有端口激励天线的增益，其中每个激励源可以由单个单极化的或双极化天线构成或由多个天线组成的单极化的或双极化的天线阵构成，这样在原单端口高增益F-P谐振腔天线的基础上，在不增加天线尺寸的前提下，可以更充分地利用天线空间，获得一种紧凑型、多个端口的高增益MIMO天线设计方案。从而实现天线阵列的大规模，并且每个端口都能得到很大增益。
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为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线结构侧视图。
图2(a)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线结构侧视图。
图2(b)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线结构俯视图。
图3(a)为本发明实施例提供的微带贴片天线的S参数图。
图3(b)为本发明实施例提供的微带贴片天线的增益结果图。
图4(a)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的S参数图。
图4(b)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的隔离度图。
图4(c)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的增益结果图。
图5(a)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线结构侧视图。
图5(b)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线结构俯视图。
图6(a)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的S参数图。
图6(b)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的隔离度图。
图6(c)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的增益结果图。
图7(a)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线结构侧视图。
图7(b)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线结构俯视图。
图8(a)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的S参数图。
图8(b)为本发明实施例提供的基于F-P腔的MIMO天线的增益结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
如图1所示，其提出了一种基于F-P腔的MIMO天线，所述天线包括如下结构：金属地板11，多个激励源12，介质腔13，部分反射表面(Partically reflecting surface，PRS)14。在所述结构中，所述介质腔13位于金属地板11和部分反射表面14之间，并构成F-P谐振腔结构。部分反射表面14和金属地板11之间的介质腔13中放置多个激励源12。这样，多个激励源12构成MIMO天线的多个激励端口，从而形成的多端口MIMO天线，从而可以利用同一个F-P谐振腔来提高所有端口激励天线的增益，其中多个激励源12中的每个激励源可以由单个单极化的或双极化天线构成或由多个天线组成的单极化的或双极化的天线阵构成。
本发明的方案较之于基于单个端口中心激励的F-P腔的单极化的或双极化的天线，可以在不增加天线尺寸的前提下，更充分地利用天线空间。获得紧凑的结构和多个端口的高增益，能够在有限空间内，实现天线的大规模集成。
具体地，所述金属地板接地，多个激励源12可以选择偶极子天线，也可以选择微带贴片天线等工作在要求频段内的天线类型。
具体地，部分反射表面14可以由频率选择表面构成，频率选择表面包括周期金属贴片单元。周期金属贴片单元的形状可以是矩形，也可以是环形等形状，设计频率满足在天线频段内。
实施例二：
如图2(a)、2(b)所示，其展示了一种基于F-P腔的MIMO天线。图2(a)为天线结构的侧视图，其中，所述天线单元包括：金属地板21，底层介质基板22，金属过孔及同轴馈电端口23，金属辐射帖片24，介质腔25，上层介质板26，周期性金属贴片27，所述上层介质板26与所述周期性金属贴片27共同组成部分反射表面(Partically Reflective Surface,PRS)。其中，金属地板21和底层介质基板22位于F-P振荡腔的下部，上层介质板26和周期性金属贴片构共同组成的部分反射表面位于F-P振荡腔的上部，三者共同构成F-P振荡腔，所述多个金属辐射贴片24设置于所述介质腔25内部；激励源施加于每个金属辐射贴片24与所述金属地板21之间。所述激励源由所述馈电端口23施加，每一个馈电端口23对应一个激励源。
图2(b)为天线结构的侧视图，周期性金属贴片27采用正方形形状，并且构成阵列，其与上层介质板26一起构成部分反射表面。周期性金属贴片27采用5×5的周期结构，金属辐射贴片24构成多输入端口阵列，每个金属辐射贴片24均具有一个激励点，分别为Port1，Port2，Port3，Port4，每一个金属辐射贴片构成一个单极化天线。具体地，周期性金属贴片27采用正方形形状，也可以采用圆形等其他形状，并且构成的周期性结构也可以有所改变，例如6×6、7×7的周期结构。
具体地，底层介质板22和上层介质板26的大小相同，底层介质板22采用介电常数为2.7的环氧树脂板，上层介质板采用介电常数为2.55的高频电路板。
为了验证前述天线结构的性能，本实施例中进一步给出工作于毫米波段时不同结构天线的参数和增益情况。图3(a)和图3(b)为单个工作于28GHz的微带贴片天线的S参数和增益结果。图4(a)、图4(b)和图4(c)为本实施例图2(a)中天线结构的天线S参数和增益结果。
从图4(c)与图3(b)的对比中可以看出，本发明提出的基于F-P谐振腔的MIMO天线对每个端口的增益提高近9dBi。如果想要得到同样高的增益，采用传统微带天线阵设计会大约需要用8元阵构成，占用空间超过60mm×100mm，而本实施例天线尺寸仅为25mm×25mm，可见，在同样的增益下，本实施例的天线结构大大紧凑。并且传统天线阵列需要设计复杂的馈电网络，成本和加工难度都比较高，本实施例中的结构并不需要设计馈电网络，结构简单，加工难度低。
从图4(a)和图4(b)看出本实施例中天线工作频率在毫米波段时(28GHz)，各个端口间有较好的隔离度。
在本实施例中激励源相当于多个单极化天线组成的阵列，在使结构紧凑的同时提高了输入端口的数量。
在本实施例中，使用金属过孔及同轴馈电端口作为连接激励源和金属地板的连接通路。实际还可以采用诸如金属导体，电极连接等方式保持二者的电耦合。
实施例三：
在实施例二中，金属辐射帖片是作为单极化天线形式的激励源存在的，在本实施例中，在不增加天线尺寸的前提下，将激励形式由单极化天线变为双极化天线。如图5(a)和图5(b)所示，在实施例二的基础上，本实施例中每个激励天线由一个单极化天线变成了双极化天线，从而在不增加天线尺寸的前提下，可以使MIMO端口个数增加一倍，同时使各个端口都具有较高的增益和较好的隔离度。
图5(a)为天线结构的侧视图，其中，所述天线单元包括：金属地板31，底层介质基板32，金属过孔及同轴馈电端口33，金属辐射帖片34，介质腔35，上层介质板36，周期性金属贴片37，所述上层介质板36与所述周期性金属贴片37共同组成部分反射表面(Partically Reflective Surface,PRS)。其中，每个金属辐射贴片34均具有两个激励，金属过孔及同轴馈电端口33也较之于实施例二中的天线结构增加一倍，从而MIMO端口数也相应增加一倍。其中，金属地板31和底层介质基板32位于F-P振荡腔的下部，上层介质板36和周期性金属贴片构共同组成的部分反射表面位于F-P振荡腔的上部，三者共同构成F-P振荡腔，金属辐射贴片34作为激励源位于介质腔35内部，金属辐射贴片34通过金属过孔及同轴馈电端口33与金属地板连接。所述多个金属辐射贴片34设置于所述介质腔35内部；双激励源施加于单个金属辐射贴片34与所述金属地板31之间。所述双激励源由同一金属辐射贴片对应的两个单独的馈电端口33施加，每一个馈电端口33对应一个激励源。
图5(b)为天线结构的侧视图，周期性金属贴片37采用正方形形状，并且构成阵列，其与上层介质板36一起构成部分反射表面。周期性金属贴片37采用5×5的周期结构，金属辐射贴片34构成多输入端口阵列，每个金属辐射贴片34均具有二个激励点，分别为Port1，Port2，Port3，Port4，Port5，Port6，Port7，Port8，每一个金属辐射贴片构成一个双极化天线。具体地，周期性金属贴片37采用正方形形状，也可以采用圆形等其他形状，并且构成的周期性结构也可以有所改变，例如6×6、7×7的周期结构。
具体地，底层介质板32和上层介质板36的大小相同，底层介质板32采用介电常数为2.7的环氧树脂板，上层介质板采用介电常数为2.55的高频电路板。
为了验证前述天线结构的性能，本实施例中进一步给出工作于毫米波段时不同结构天线的参数和增益情况。图3(a)和图3(b)为单个工作于28GHz的微带贴片天线的S参数和增益结果。图6(a)、图6(b)和图6(c)为本实施例图5(a)中天线结构的天线S参数和增益结果。
从图6(c)与图3(b)的对比中可以看出，本发明提出的基于F-P谐振腔的MIMO天线对每个端口的增益提高16dB以上。根据增益情况可知，采用双极化结构增益效果还要优于采用单极化结构，那么在同样增益下，本实施例的天线结构能够更加紧凑。同样地，相较于传统天线阵列需要设计复杂的馈电网络，成本和加工难度都比较高，本实施例中的结构并不需要设计馈电网络，结构简单，加工难度低。
从图6(a)和图6(b)看出本实施例中天线工作频率在毫米波段时(28GHz)，各个端口间有较好的隔离度。
如图5(a)所示，谐振腔内部由四个双极化辐射贴片来激励，每个双极化辐射贴片对应两个激励源，可以获得八个MIMO天线端口，其覆层与前述实施例中一致。
在本实施例中激励源相当于多个双极化天线组成的阵列，在使结构紧凑的同时，使输入端口的数量提高了一倍。
在本实施例中，所述金属地板接地，使用金属过孔及同轴馈电端口作为连接激励源和金属地板的连接通路。实际还可以采用诸如金属导体，电极连接等方式保持二者的电耦合。
实施例四：
在实施例二和实施例三中，无论是采用单极化天线还是采用双极化天线形式的激励，均是使用单个天线作为激励的形式。为了进一步提高每个MIMO天线的增益，本实施例中每个激励采用二元天线构成的子阵。
如图7(a)和图7(b)，在实施例二和三结构的基础上，本实施例中每个激励源采用二元子阵的形式，相比单个微带贴片天线，二元阵会增加约3dB的增益，所以采用这种形式会进一步提高MIMO天线的增益。
图7(a)为天线结构的侧视图，其中，所述天线单元包括：金属地板41，底层介质基板42，金属过孔及同轴馈电端口43，二元天线子阵44，介质腔45，上层介质板46，周期性金属贴片47，所述上层介质板36与所述周期性金属贴片47共同组成部分反射表面(Partically Reflective Surface,PRS)。其中，每个二元天线子阵44均作为激励源，从而提高了整体增益。其中，金属地板41和底层介质基板42位于F-P振荡腔的下部，上层介质板46和周期性金属贴片构共同组成的部分反射表面位于F-P振荡腔的上部，三者共同构成F-P振荡腔，二元天线子阵44作为激励源位于介质腔45内部，激励源施加于每个二元天线子阵44与所述金属地板41之间。激励源由所述同轴馈电端口43施加于所述二元天线子阵44与所述金属地板41之间，每一个同轴馈电端口43对应一个激励源。
图8(b)为天线结构的侧视图，周期性金属贴片47采用正方形形状，并且构成阵列，其与上层介质板46一起构成部分反射表面。周期性金属贴片47采用5×5的周期结构，二元天线子阵44激励点，分别为Port1，Port2，Port3，Port4。具体地，周期性金属贴片37采用正方形形状，也可以采用圆形等其他形状，并且构成的周期性结构也可以有所改变，例如6×6、7×7的周期结构。
具体地，底层介质板32和上层介质板36的大小相同，底层介质板32采用介电常数为2.7的环氧树脂板，上层介质板采用介电常数为2.55的高频电路板。
为了验证前述天线结构的性能，本实施例中进一步给出工作于毫米波段时不同结构天线的参数和增益情况。图3(a)和图3(b)为单个工作于28GHz的微带贴片天线的S参数和增益结果。图8(a)、图8(b)为本实施例图7(a)中天线结构的天线S参数和增益结果。
从图8(b)与图3(b)的对比中可以看出，本发明提出的基于F-P谐振腔的MIMO天线对每个端口的增益可以达到17.1dB以上。根据增益情况可知，采用双极化结构增益效果还要优于采用单极化结构和双极化结构，那么在同样增益下，本实施例的天线结构能够更加紧凑。同样地，相较于传统天线阵列需要设计复杂的馈电网络，成本和加工难度都比较高，本实施例中的结构并不需要设计馈电网络，结构简单，加工难度低。
在本实施例中，使用金属过孔及同轴馈电端口作为连接激励源和金属地板的连接通路。实际还可以采用诸如金属导体，电极连接等方式保持二者的电耦合。
实施例五：
在本实施例中提出一种基于F-P(Fabry-Perot)谐振腔的紧凑型、高增益、多端口MIMO天线，其特征在于谐振腔由一个位于上层的部分反射表面(PRS，partially reflected surface)、一个位于下层的金属地板，以及位于PRS和地板之间所填充的介质构成，在PRS和地板之间的介质中放置多个激励源构成多端口MIMO天线的多个激励端口，利用同一个F-P谐振腔来提高所有端口激励天线的增益，其中每个激励源可以由单个天线构成或由多个天线组成的天线阵构成，这样在原单端口高增益F-P谐振腔天线的基础上，在不增加天线尺寸的前提下，可以充分利用天线空间，获得一种紧凑型、多个端口的高增益MIMO天线设计方案。天线整体为两层平面结构，简单紧凑，易于加工实现。每个激励天线可以由单极化的或双极化的单个天线构成，也可以由单极化的或双极化的天线阵构成。这些单个天线或天线阵可以由微带天线，偶极子天线、环天线等多种结构构成。根据激励天线的频率、极化和位置分布等来设计天线的部分反射表面系统中所需要的周期性单元结构。
虽然基于F-P谐振腔结构的天线已经被广泛用于高增益天线的设计，但这些设计多针对单入单出(SISO,Single-Input Single-Output)的单天线系统，在这些系统中，利用单个微带或偶极子等天线来激励谐振腔，从而获得高增益。在本发明提出的系统中，在F-P谐振腔的PRS和地板之间的介质中放置多个激励源构成多端口MIMO天线的多个激励端口，可以利用同一个F-P谐振腔来提高所有端口激励天线的增益，其中每个激励源可以由单个单极化的或双极化天线构成或由多个天线组成的单极化的或双极化的天线阵构成，这样在原单端口高增益F-P谐振腔天线的基础上，在不增加天线尺寸的前提下，可以更充分地利用天线空间，获得一种紧凑型、多个端口的高增益MIMO天线设计方案。
根据F-P模式理论，适当调节部分反射面到地板间的高度，激励源所辐射的电磁波在谐振腔内经过多次透射和反射可以达到提高天线增益的目的，从而避免设计复杂的馈电网络。此外，本发明中可以采用将多个天线组合构成一个子阵来作为一个激励端口，比如用一个二元天线子阵本身就会比用单个天线作为一个端口激励获得3dB左右的增益，从而可以进一步提高每个MIMO端口的增益。
在本实施例中，由一个接地金属板和一块同样面积大小的介质基板、个方形金属贴片、空气腔、一个与地板同样大小的上层介质板、二十五个方形金属贴片构成。每个贴片天线单元均采用双极化的同轴线馈电结构，这种天线结构简单，易于加工实现。
介质板上表面是等间距周期性摆放4个贴片天线，每行三个，贴片单元天线的尺寸主要由工作频率决定，介质盖板的下表面等间距的周期性摆放FSS单元，单元尺寸与周期间距同样主要根据整个天线的工作频率来设计，适当调节介质盖板与介质板之间的距离，由于每个贴片单元辐射的电磁波会在上下两层介质板间形成的空腔内多次反射，当两层介质板间的距离满足谐振条件时，天线的增益就会大大提高。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。