專利名稱：波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通訊系統(tǒng)，尤其涉及一種基于超材料陣列天線的波束賦形(Beamforming,簡稱 BF)和多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,簡稱 ΜΙΜΟ)多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
波束賦形技術(shù)是利用天線陣列通過先進的信號處理算法分別對各陣列上的天線單元進行加權(quán)處理，使得陣列天線實時對準有用信號方向。在干擾方向形成零點以抑制干擾信號，從而提高信干噪比，提升系統(tǒng)鏈路質(zhì)量，增加系統(tǒng)的覆蓋范圍。多輸入多輸出技術(shù)是在發(fā)送端和接收端分別安裝多個天線的通信系統(tǒng)，它主要分成兩類。一類是當發(fā)送端存在多個天線時，向各個發(fā)送天線發(fā)送相同數(shù)據(jù)，接收端對獲得的多路信號進行接收合并，從而提高鏈路的可靠性，將這一類多輸入多輸出技術(shù)稱之為空間分集。另一類是當發(fā)送端和接收端同時存在多個天線時，由于多輸入多輸出信道等效成多個并行的信道，從而可以同時并行發(fā)送多個不同的數(shù)據(jù)流，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，從而這一類多輸入多輸出技術(shù)稱之為空間復(fù)用。但是，現(xiàn)有的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)使用的常規(guī)天線信干噪比低且容易受到環(huán)境干擾，進一步影響整個系統(tǒng)的性能。同時常規(guī)天線重量和體積也較大，安裝成本高并且非常不便。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，本發(fā)明為了解決常規(guī)天線信干噪比低且容易受到環(huán)境干擾，從而影響整個波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)的性能的技術(shù)問題。因此本發(fā)明提供一種基于超材料陣列天線的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)。一種基于超材料陣列天線的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)包括模式判斷模塊、切換模塊、BF發(fā)送模塊及MMO多天線復(fù)用模塊，所述模式判斷模塊用于根據(jù)切換算法判斷用戶最適合使用的發(fā)送模式為波束賦形模式或者多輸入多輸出多天線復(fù)用模式；切換模塊用于根據(jù)模式判斷模塊的結(jié)果切換決定采用波束賦形方式或多輸入多輸出多天線復(fù)用方式發(fā)送數(shù)據(jù)信息；BF發(fā)送模塊，連接于所述切換模塊，用于對數(shù)據(jù)乘以對應(yīng)天線的權(quán)值分量后進行發(fā)送；ΜΙΜ0多天線復(fù)用模塊，連接于所述切換模塊，用于對數(shù)據(jù)進行MIMO編碼，并對MIMO編碼后的數(shù)據(jù)進行發(fā)送；上述數(shù)據(jù)信息基于多個超材料天線單元組成的超材料天線以電磁波形式向外輻射。進一步地,超材料天線包括:陣列式天線，包括多個天線單元；所述每一天線單元包括鏤刻有一槽拓撲圖案的導(dǎo)電薄片、導(dǎo)電饋點及饋線；一功分器，用于將基帶信號劃分多路加權(quán)值的信號，然后將各路加權(quán)值的信號通過各個導(dǎo)電饋點分別傳送給所述呈陣列排布的各個天線單元；及
一反射單元，用于反射所述多個天線單元的向后輻射電磁波。進一步地，所述陣列式天線還包括一絕緣的介質(zhì)基板，所述每個天線單元還包括接地單元及接電線，所述多個天線單元呈陣列式附著于介質(zhì)基板上一表面上。進一步地，所述槽拓撲圖案為軸對稱圖案。進一步地，所述槽拓撲圖案為互補式開口諧振環(huán)圖案、開口螺旋環(huán)圖案、開口螺旋環(huán)圖案及上述圖案中的一種以及上述幾種圖案衍生、復(fù)合、組合或組陣得到的軸對稱復(fù)合圖案。進一步地，所述槽拓撲圖案為軸非對稱圖案。進一步地，所述槽拓撲圖案為互補式螺旋線圖案、互補式彎折線圖案及上述圖案中的一種以及上述幾種圖案衍生、復(fù)合、組合或組陣得到的軸非對稱圖案。進一步地，所述饋線的饋入方式與接地線的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合。進一步地,所述饋線的饋入方式和接地線的接地方式可以選用:饋線電感饋入，接地線電感接地；饋線電感饋入,接地線電容接地；饋線電容饋入,接地線電感接地；饋線電容饋入，接地線電容接地四種中的任意一種。進一步地，所述高分子材料優(yōu)選聚四氟乙烯、F4B或FR4。相比較現(xiàn)有技術(shù)，波束賦形和多輸入多輸出天線的切換系統(tǒng)，根據(jù)用戶的工作環(huán)境和條件進行切換波束賦形工作模式或多輸入多輸出天線的工作模式，采用超材料陣列天線接收或發(fā)送信號，提高了整個系統(tǒng)的信干噪比，從而降低環(huán)境信號接收或發(fā)送的干擾。同時超材料陣列天線重量和體積也大大減少之，降低了長距離運輸和安裝的成本。


圖1是本發(fā)明基于超材料陣列天線的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)的不意圖；圖2為圖1所示基于超材料陣列天線的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)的模塊圖；圖3為圖2所示的超材料陣列天線天線的平面示意圖；圖4是圖3所示超材料天線中一天線單元平面示意圖；圖5為圖4所示導(dǎo)電薄片上鏤刻槽拓撲圖案的示意圖；其中，圖5(a)是導(dǎo)電薄片上形成互補式開口諧振環(huán)圖案，圖5(b)是導(dǎo)電薄片上形成互補式螺旋線圖案，圖5(c)是是導(dǎo)電薄片形成開口螺旋環(huán)圖案，圖5(d)是導(dǎo)電薄片上形成雙開口螺旋環(huán)圖案，圖5(e)是導(dǎo)電薄片上形成互補式彎折線圖案；圖5&)是導(dǎo)電薄片上形成軸非對稱的復(fù)合圖案，圖5(g)是導(dǎo)電薄片上形成軸對稱的復(fù)合圖案；圖6是圖4所示導(dǎo)電薄片上可以通過形成衍生方式形成的圖案，其中圖6(a)為拓撲結(jié)構(gòu)幾何形狀衍生圖案；圖6(b)為拓撲結(jié)構(gòu)擴展衍生圖案。
具體實施例方式請一并參考圖1和圖2，為本發(fā)明基于超材料陣列天線的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)示意圖和模塊圖。所述基于超材料陣列天線的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)包括模式判斷模塊25、切換模塊24、BF發(fā)送模塊26及MMO多天線復(fù)用模塊27，所述模式判斷模塊25用于根據(jù)切換算法判斷用戶最適合使用的發(fā)送模式為波束賦形模式或者多輸入多輸出多天線復(fù)用模式；切換模塊24用于根據(jù)模式判斷模塊25的結(jié)果切換決定采用波束賦形方式或多輸入多輸出多天線復(fù)用方式發(fā)送數(shù)據(jù)信息；BF發(fā)送模塊26，連接于所述切換模塊24，用于對數(shù)據(jù)乘以對應(yīng)天線的權(quán)值分量后進行發(fā)送；ΜΜ0多天線復(fù)用模塊27，連接于所述切換模塊24，用于對數(shù)據(jù)進行MMO編碼，并對MIMO編碼后的數(shù)據(jù)乘以對應(yīng)天線的權(quán)值分量進行發(fā)送。無線通訊系統(tǒng)(如通信基站)通過信源21、信道編碼22及調(diào)制23處理步驟之后，形成所述波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)的輸入信號，然后基于多個超材料天線單元10組成的超材料天線28將數(shù)據(jù)信息以電磁波形式向外輻射。本發(fā)明波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)中超材料天線是基于人工電磁材料技術(shù)設(shè)計而成，人工電磁材料是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬結(jié)構(gòu)，并將所述特定形狀的拓撲金屬結(jié)構(gòu)設(shè)置于一定介電常數(shù)和磁導(dǎo)率基材上而加工制造的等效特種電磁材料，其性能參數(shù)主要取決于其亞波長的特定形狀的拓撲金屬結(jié)構(gòu)。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現(xiàn)出高度的色散特性，換言之，天線的阻抗、容感性、等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨著頻率會發(fā)生劇烈的變化。因而可采用人工電磁材料技術(shù)對上述天線的基本特性進行改造，使得金屬結(jié)構(gòu)與其依附的介質(zhì)基板等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現(xiàn)輻射特性豐富的新型天線。以下詳細介紹應(yīng)用超材料天線:請參閱圖3,是本發(fā)明中一實施例的超材料天線的平面示意圖。超材料天28包括一陣列式天線8、設(shè)置在陣列式天線8 一側(cè)的反射單元9及功分器7。所述陣列式天線8包括多個天線單元10。當所述第一超材料天22發(fā)送電磁波時，所述反射單元9用于反射各個天線單元10的向后輻射電磁波，使得上述天線裝置I形成的后瓣得到壓縮，以提高天線裝置的發(fā)射效率。這樣實現(xiàn)同樣電磁波信號強度下，可以減少無線回傳裝置的輻射單元個數(shù)，進而減輕天線體積和重量，為高速公路/鐵路上安裝時搬運成本降低成，實現(xiàn)無線回傳基站裝置小型化和一體化。功分器7用于將基帶信號劃分多路加權(quán)值的信號，然后將各路加權(quán)值的信號分別分配給所述呈陣列排布的各個天線單元10,根據(jù)波束賦形(beam forming)技術(shù)使所陣列式天線8產(chǎn)生電磁波定向輻射范圍。在本實施方式中，所述功分器7采用一六功分器。圖4為圖3所示天線裝置中一天線單元平面示意圖。天線單元10包括一絕緣的介質(zhì)基板100,所述介質(zhì)基板100的一表面101附著有導(dǎo)電薄片13a,在將導(dǎo)電薄片13a鏤刻有一槽拓撲圖案12a。在本實施方式中，導(dǎo)電薄片13a采用金屬銅片，在金屬銅片鏤刻有一軸對稱的槽拓撲圖案12a。在其他實施方式中，槽拓撲圖案12a為軸非對稱圖案。在第一表面101上還形成一導(dǎo)電饋點14和與導(dǎo)電饋點14電連接的饋線11、一接地單元15a及接地線16。在本實施方式中，所述導(dǎo)電薄片13a通過接地線16連接接地單元15a。所述饋線11通過磁電稱合與導(dǎo)電薄片13a相關(guān)聯(lián)。在其他實施方式中,饋線11和接地線16—般可以視為天線的兩個引腳，以標準50歐姆阻抗饋入，但饋線11的饋入方式與接地線16的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合，具體來說，饋線11的饋入方式與接地線16的接入方式共有四種組合，分別是:饋線電感饋入，接地線電感接地；饋線電感饋入,接地線電容接地；饋線電容饋入,接地線電感接地；饋線電容饋入,接地線電容接地。在陣列式天線8上的天線單元10的拓撲微結(jié)構(gòu)與尺寸可以相同，也可以不同，從而進行混合設(shè)計。本發(fā)明中超材料天28，可通過調(diào)整饋線11的饋入耦合方式、接地線16的接地方式、天線單元10的拓撲結(jié)構(gòu)與尺寸大小、以及饋線11與接地線16與天線單元10的可短接點位置來進行調(diào)諧，從而使天線形成多模工作。請參閱圖5，圖5(a)是導(dǎo)電薄片上形成互補式開口諧振環(huán)圖案，圖5 (b)是導(dǎo)電薄片上形成互補式螺旋線圖案，圖5(c)是是導(dǎo)電薄片形成開口螺旋環(huán)圖案，圖5(d)是導(dǎo)電薄片上形成雙開口螺旋環(huán)圖案，圖5(e)是導(dǎo)電薄片上形成互補式彎折線圖案；圖5&)是導(dǎo)電薄片上形成軸非對稱的復(fù)合圖案，圖5(g)是導(dǎo)電薄片上形成軸對稱的復(fù)合圖案。槽拓撲圖案12a為軸對稱圖案，包括圖5(a)所示互補式開口諧振環(huán)圖案、圖5 (C)所示開口螺旋環(huán)圖案、圖5(d)所示開口螺旋環(huán)圖案及圖5(g)是導(dǎo)電薄片上形成軸對稱的復(fù)合圖案；槽拓撲圖案12a為軸非對稱圖案，包括但不限于圖5(a)所示互補式螺旋線圖案、圖5(e)所示互補式彎折線圖案及圖5(f)所示軸非對稱的復(fù)合圖案。上述槽拓撲圖案12a還可以通過如圖6所示衍生方式以形成更多的衍生圖案，其中圖6(a)為幾何形狀衍生方式示意圖，幾何形狀衍生是指在本發(fā)明中導(dǎo)電薄片13a中的形狀不僅僅局限于長方形，也可以為任意平面幾何圖形，如圓形、三角形、多邊形等；圖6(b)為擴展衍生方式示意圖；擴展衍生是指在不改變原有導(dǎo)電薄片13a本質(zhì)特性前提下，可以任意鏤刻掉部分導(dǎo)電片從而擴展衍生出對稱或者不對稱的圖案來。由天線原理可知，電長度是描述電磁波波形變化頻繁程度的物理量，電長度=物理長度/波長。當天線工作于低頻時，低頻對應(yīng)的電磁波波長較長，在需要保持電長度不變的前提下，增長物理長度就是必要的選擇。然而增大物理長度必然不能滿足天線小型化的要求。根據(jù)公式f= 1/(2 π可知，增大分布電容能有效降低天線工作頻率使得在不增加物理長度的前提下就可保持電長度不變。這樣就可以在極小的空間內(nèi)設(shè)計出工作在極低工作頻率下的天線。本發(fā)明的介質(zhì)基板100的材質(zhì)可選用陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料；其中高分子材料優(yōu)選聚四氟乙烯、F4B或FR4。在本發(fā)明中，關(guān)于天線的加工制造，只要滿足本發(fā)明的設(shè)計原理，可以采用各種制造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的制造方法，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB制造均可滿足本發(fā)明的加工要求。除此加工方式，還可以根據(jù)實際的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequency Identification的縮寫，即射頻識別技術(shù),俗稱電子標簽)中所使用的導(dǎo)電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成芯片微結(jié)構(gòu)部分的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于超材料陣列天線的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于包括模式判斷模塊、切換模塊、BF發(fā)送模塊及MMO多天線復(fù)用模塊，所述模式判斷模塊用于根據(jù)切換算法判斷用戶最適合使用的發(fā)送模式為波束賦形模式或者多輸入多輸出多天線復(fù)用模式；切換模塊用于根據(jù)模式判斷模塊的結(jié)果切換決定采用波束賦形方式或多輸入多輸出多天線復(fù)用方式發(fā)送數(shù)據(jù)信息；BF發(fā)送模塊，連接于所述切換模塊，用于對數(shù)據(jù)乘以對應(yīng)天線的權(quán)值分量后進行發(fā)送;ΜΙΜ0多天線復(fù)用模塊，連接于所述切換模塊，用于對數(shù)據(jù)進行MIMO編碼，并對MIMO編碼后的數(shù)據(jù)進行發(fā)送；上述數(shù)據(jù)信息基于超材料天線以電磁波形式向外輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，超材料天線包括: 陣列式天線，包括多個天線單元；所述每一天線單元包括鏤刻有一槽拓撲圖案的導(dǎo)電薄片、導(dǎo)電饋點及饋線； 一功分器，用于將基帶信號劃分多路加權(quán)值的信號，然后將各路加權(quán)值的信號通過各個導(dǎo)電饋點分別傳送給所述呈陣列排布的各個天線單元；及 一反射單元，用于反射所述多個天線單元的向后輻射電磁波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述陣列式天線還包括一絕緣的介質(zhì)基板，所述每個天線單元還包括接地單元及接電線，所述多個天線單元呈陣列式附著于介質(zhì)基板上一表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述槽拓撲圖案為軸對稱圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述槽拓撲圖案為互補式開口諧振環(huán)圖案、開口螺旋環(huán)圖案、開口螺旋環(huán)圖案及上述圖案中的一種以及上述幾種圖案衍生、復(fù)合、組合或組陣得到的軸對稱復(fù)合圖案。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述槽拓撲圖案為軸非對稱圖案。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述槽拓撲圖案為互補式螺旋線圖案、互補式彎折線圖案及上述圖案中的一種以及上述幾種圖案衍生、復(fù)合、組合或組陣得到的軸非對稱圖案。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述饋線的饋入方式與接地線的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述饋線的饋入方式和接地線的接地方式可以選用:饋線電感饋入，接地線電感接地；饋線電感饋入,接地線電容接地；饋線電容饋入,接地線電感接地；饋線電容饋入,接地線電容接地四種中的任意一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用切換系統(tǒng)，其特征在于，所述高分子材料優(yōu)選聚四氟乙烯、F4B或FR4。
全文摘要
一種波束賦形和多輸入多輸出多天線復(fù)用的切換系統(tǒng)包括模式判斷模塊，用于根據(jù)切換算法判斷用戶最適合使用的發(fā)送模式為波束賦形模式或者多輸入多輸出多天線復(fù)用模式；切換模塊，用于根據(jù)模式判斷模塊的結(jié)果切換決定采用波束賦形方式或多輸入多輸出多天線復(fù)用方式發(fā)送數(shù)據(jù)信息；BF發(fā)送模塊，連接于所述切換模塊，用于對數(shù)據(jù)乘以對應(yīng)天線的權(quán)值分量后進行發(fā)送；MIMO多天線復(fù)用模塊，連接于所述切換模塊，用于對數(shù)據(jù)進行MIMO編碼，并對MIMO編碼后的數(shù)據(jù)進行發(fā)送；上述數(shù)據(jù)信息基于多個超材料天線單元組成的超材料天線以電磁波形式向外輻射。采用超材料陣列天線接收或發(fā)送信號，提高了整個系統(tǒng)的信干噪比，從而降低容環(huán)境信號接收或發(fā)送的干擾。
文檔編號H04B7/06GK103095353SQ20111033380
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 尹武 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司