本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于降低多天線系統(tǒng)中天線耦合的去耦合裝置及方法。

背景技術(shù)：

以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的知識經(jīng)濟(jì)是現(xiàn)今世界最重要的兩大經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域之一，其中以第五代移動通信(5G)為領(lǐng)頭的通信技術(shù)正引發(fā)信息產(chǎn)業(yè)新的革命，逐漸成為國際競爭熱點(diǎn)和制高點(diǎn)之一。5G技術(shù)能把上網(wǎng)速度提高到第四代移動技術(shù)的1000倍以上，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)和圖像傳輸，需要有更大的通信帶寬和頻譜利用率。在這種情況下，大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)多天線技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。MIMO技術(shù)利用建立在發(fā)射端和接收端的多天線實(shí)現(xiàn)的多空間通道發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜利用率，能有效提高系統(tǒng)的傳輸速率；該技術(shù)對于緩解無線頻譜資源日趨緊張的現(xiàn)狀和提高5G通信系統(tǒng)性能具有深遠(yuǎn)的意義。

雖然MIMO系統(tǒng)在理想情況下，信道容量可隨天線數(shù)目線性增加(功率和帶寬固定)。但在實(shí)現(xiàn)中，由于實(shí)際空間的限制，天線單元間距往往不足半波長，從而信道的相關(guān)性變強(qiáng)、信噪比變差，天線效率下降，造成實(shí)際的信道容量和吞吐率降低。另一方面，較小的間距會引入諧振單元之間不必要的耦合，從而改變其方向圖，不適合大規(guī)模MIMO的組陣。因此如何在較小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的多單元天線解耦，降低其相關(guān)性，獲得分集增益以及提高信道容量已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，本發(fā)明提供一種用于降低多天線系統(tǒng)中天線耦合的去耦合裝置及方法，在較小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的多單元天線解耦，降低其相關(guān)性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于降低多天線系統(tǒng)中天線耦合的去耦合裝置，所述多天線系統(tǒng)包括至少兩個連接收發(fā)機(jī)的天線，所述去耦合裝置包括至少一個分別放置在多天線系統(tǒng)中各天線之間的寄生天線，每個寄生天線分別端接有負(fù)載。

優(yōu)選的，所述寄生天線為單極子，倒F天線，環(huán)形天線，微帶天線中的一種或多種的組合。

優(yōu)選的，所述負(fù)載為開路傳輸線、短路傳輸線、接地電容、接地電感、LC串聯(lián)諧振回路中的一種或多種的組合。

優(yōu)選的，所述多天線系統(tǒng)為大規(guī)模MIMO多天線陣列，路由器天線，手機(jī)天線，數(shù)據(jù)卡天線中的一種。

優(yōu)選的，所述大規(guī)模MIMO多天線陣列按四單元方形子陣排布，對應(yīng)的每個子陣中設(shè)置四個寄生天線，每個寄生天線分別設(shè)置在方形四個邊線的內(nèi)側(cè)。

優(yōu)選的，所述大規(guī)模MIMO多天線陣列按三單元三角形子陣排布，對應(yīng)的每個子陣的三角形內(nèi)側(cè)設(shè)置一個寄生天線。

優(yōu)選的，所述大規(guī)模MIMO多天線陣列按四單元線形子陣排布，對應(yīng)的每個子陣中設(shè)置三個寄生天線，每個寄生天線分別設(shè)置在相鄰兩個原天線單元之間。

優(yōu)選的，所述多天系統(tǒng)的每個天線設(shè)置有匹配網(wǎng)絡(luò)，使得加入端接負(fù)載的寄生天線陣之后，原多天線系統(tǒng)的匹配狀態(tài)不發(fā)生改變。

本發(fā)明還提供了一種用于降低多天線系統(tǒng)中天線耦合的去耦合裝置的去耦方法，包括：提取含有多天線系統(tǒng)和寄生天線系統(tǒng)組成的陣列的導(dǎo)納矩陣，通過調(diào)整寄生天線的自導(dǎo)納，以及寄生天線之間和寄生天線與多天線系統(tǒng)之間的互導(dǎo)納，以及寄生天線端接的負(fù)載導(dǎo)納，使得多天線系統(tǒng)一對或多對天線之間的互導(dǎo)納盡可能的小，互耦合低于25dB。

進(jìn)一步的，設(shè)置端接在所述寄生天線本體上的負(fù)載的形式和數(shù)值，進(jìn)一步減小所述多天線系統(tǒng)一對或多對天線之間的互耦合至30dB以下。

進(jìn)一步的，設(shè)置所述多天線系統(tǒng)的匹配電路，使得加入寄生天線之后，所述原多天線系統(tǒng)天線單元的匹配狀態(tài)不發(fā)生惡化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供一種用于降低多天線系統(tǒng)中天線耦合的去耦合裝置及方法，在多天線系統(tǒng)中各天線之間分別放置寄生天線，每個寄生天線分別端接有負(fù)載，根據(jù)原有多天線系統(tǒng)中各天線之間的耦合狀態(tài)，調(diào)整所述多個寄生天線的相對位置，形狀，諧振頻率以及所述端接負(fù)載的數(shù)值，可以顯著降低兩個以上的多天線系統(tǒng)之間任意天線之間在相同頻段或相近頻段的耦合；減小天線之間互相的干擾，提高系統(tǒng)的信噪比，進(jìn)而提升通信的吞吐率，可靠性并降低時延。

本發(fā)明提出的方法和設(shè)備非常適合新一代移動通信系統(tǒng)所要求的全雙工收發(fā)，載波聚合以及大規(guī)模多輸入多輸出天線系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的多天線陣列和若干端接負(fù)載的寄生天線的布局示意；

圖2為本發(fā)明中一種針對大規(guī)模MIMO天線陣中四單元方形子陣的寄生天線排布示意；

圖3為本發(fā)明中一種針對大規(guī)模MIMO天線陣中三單元三角形子陣的寄生天線排布示意；

圖4為本發(fā)明中一種針對大規(guī)模MIMO天線陣中四單元線形子陣的寄生天線排布示意；

圖5為本發(fā)明實(shí)例中寄生天線端接負(fù)載的具體實(shí)現(xiàn)形式示意圖；

圖6為本發(fā)明一種針對大規(guī)模MIMO陣列中四單元方形微帶天線陣采用寄生的微帶單元解耦的具體的實(shí)施方案；

圖7為實(shí)施方案的解耦前后原天線陣任意一對天線之間的隔離度示意圖；

圖8為實(shí)施例中外接匹配網(wǎng)絡(luò)的多天線陣列和若干端接負(fù)載的寄生天線的布局示意。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖1所示，為本發(fā)明所揭示的一種用于降低多天線系統(tǒng)中天線耦合的去耦合裝置，所述多天線系統(tǒng)包括至少兩個連接收發(fā)機(jī)的天線，所述去耦合裝置包括至少一個分別放置在多天線系統(tǒng)中各天線之間的寄生天線，每個寄生天線分別端接有負(fù)載。

本實(shí)施方式提供一種無線LTE通訊設(shè)備中降低天線耦合和互擾的方法，采用如下技術(shù)方案:

如圖2所示，在一個大規(guī)模MIMO陣單元之中，加入寄生天線單元，所述大規(guī)模MIMO多天線陣列按四單元方形子陣排布，對應(yīng)的每個子陣中設(shè)置四個寄生天線，每個寄生天線分別設(shè)置在方形四個邊線的內(nèi)側(cè)。設(shè)置寄生天線單元的形狀，相對位置，使得原MIMO天線陣單元之間的耦合盡可能的小。具體的設(shè)置方式為：

提取如圖1所示的陣列的導(dǎo)納矩陣，該陣列包括三部分：多天線陣列，寄生天線，寄生天線端接負(fù)載。

提取出的導(dǎo)納矩陣表示為：

其中，電流矩陣I和電壓矩陣V具體表示為：

參考圖2中標(biāo)出的具體的導(dǎo)納參數(shù)，對應(yīng)的導(dǎo)納子矩陣詳細(xì)表示為：

考慮到寄生天線單元端接負(fù)載Y1,Y2,Y3,Y4之后，有如下的電流電壓關(guān)系

其中，負(fù)載矩陣YL是一個對角陣:

將(5)式代入(1)式中，最終得到：

因此，若只提取加入寄生天線單元和端接負(fù)載之后的原多天線陣的導(dǎo)納矩陣，應(yīng)該如下式所表示：

對比(7)和(8)兩式，可以得到：

對于互耦較強(qiáng)的原多天線陣，其互導(dǎo)納YA和YB通常比較大，而加入寄生天線單元之后，從(9)和(10)兩式可以看出，設(shè)置寄生天線本身的特性，可以改變式中的自導(dǎo)納YII；而改變寄生天線相對的位置，排布，則可以改變式中的互導(dǎo)納：YC,YD,YE,YF；改變寄生天線單元端接負(fù)載，可以改變式中的YL，通過計(jì)算設(shè)置所述的導(dǎo)納參數(shù)，可以使得互導(dǎo)納YA’和YB’盡可能接近0?；?dǎo)納接近0，就意味著天線陣各單元之間的互耦足夠的小。

進(jìn)一步的，除了圖2示出的陣列形式，本發(fā)明所提出的解耦方法還可以適用于圖3所示的三角陣列，所述大規(guī)模MIMO多天線陣列按四單元線形子陣排布，對應(yīng)的每個子陣中設(shè)置三個寄生天線，每個寄生天線分別設(shè)置在相鄰兩個原天線單元之間。圖3所示的排布方式，常見于Wi-Fi路由器等終端上。采用與式(1)～(10)示出的同樣的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，可以采用一個寄生天線單元，降低所有三對天線之間的互耦。

進(jìn)一步的，本發(fā)明所提出的解耦方法也可以適用于如圖4所示的多單元線陣。所述大規(guī)模MIMO多天線陣列按四單元線形子陣排布，對應(yīng)的每個子陣中設(shè)置三個寄生天線，每個寄生天線分別設(shè)置在相鄰兩個原天線單元之間，采用與式(1)～(10)示出的同樣的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，可以降低所有天線之間的互耦。

所述寄生天線端接的負(fù)載，可以有如圖5所示的多種實(shí)現(xiàn)形式：

1：開路傳輸線；

2：短路傳輸線；

3：接地電容；

4：接地電感；

5：LC串聯(lián)諧振回路。

圖6是本發(fā)明的一種具體的實(shí)施示例。針對一個設(shè)置在底板1＇上的四單元微帶天線陣列，天線單元2＇之間的耦合在受限的間距下是比較大的，通過設(shè)置四個同樣由微帶天線構(gòu)成的寄生天線單元3＇，并進(jìn)一步的設(shè)置通過饋電點(diǎn)4＇連接的負(fù)載5＇，可以降低所有天線單元2＇之間的各種互耦。

解耦前后，原多天線陣中的各天線之間的互耦比較，詳見圖7?？梢钥吹剑诮怦钪?，天線單元之間的互耦一般大于10dB，而通過所述端接負(fù)載的寄生天線解耦之后，互耦可以降低到25dB以下。

如圖8所示，在加入寄生天線之后，可以進(jìn)一步的設(shè)置原天線陣之后的匹配網(wǎng)絡(luò)，使得在耦合降低的同時，所述原多天線陣中各天線的匹配狀態(tài)不受很大的影響。

需要說明的是，所述無線設(shè)備包括但不限于基站，路由器，手機(jī)，數(shù)據(jù)卡，也可以應(yīng)用于其他使用了多天線環(huán)境的無線通信終端。

以上實(shí)施例僅以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。