MIMO天线阵列、MIMO天线及基站

摘要

本发明提供了一种MIMO天线阵列，包括：由多个第一阵元形成的第一天线阵列和由多个第二阵元形成的第二天线阵列；第一天线阵列的工作频段与第二天线阵列的工作频段至少部分相同；第一天线阵列的各第一阵元和第二天线阵列的各第二阵元沿基准轴线方向依次交替分布且互不干涉；第一阵元与基准轴线之间以及第二阵元与基准轴线之间的横向间距均保持在0～0.3λ范围内。该MIMO天线阵列不仅能同时缩小第一天线阵列和第二天线阵列的左右边界宽度之间差距，改善辐射方向图对称性，使半功率波束宽度的波宽收敛性较好、波宽变窄，改善前后比和轴向交叉极化；还能缩小迎风面积、节省天面资源。本发明还提供了一种包括上述MIMO天线阵列的MIMO天线及基站。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种MIMO天线阵列、MIMO天线及基站。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术是一种多天线技术，即在无线通信系统的接收端和发射端分别配备有多个天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。该技术能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的增加系统容量，被视为新一代移动通信的关键技术。

在工程运用中，参照附图7所示，将现有MIMO天线阵列中从属于不同网络系统的两列天线阵列采用并排布局设计已成为本领域的共识，其目的是为了保证两个天线阵列之间保持较大的横向间距，以减小两个天线阵列之间的耦合；具体而言，现有的MIMO天线阵列必须保证两列天线阵列之间的横向间距大于0.6λ，相应的就会使两列天线阵列中至少有一列天线阵列与基准轴线Y₀之间的横向间距D1大于0.3λ；这样的结构会导致每列天线阵列分别相对于反射板300呈严重的不对称分布，即每列天线阵列的左右边界严重不对称，同时每列天线阵列的左右边界之间宽度差距很大，严重影响天线产品的性能，例如会造成每列天线阵列的辐射方向图不对称，两边前后比差且不对称，半功率波束宽度的波宽收敛性差，波宽宽，轴向差等弊端。

以改善波宽收敛性为例，现有技术提出通过预置各个天线阵列中各辐射单元的幅度、相位权值等来实现目标波束覆盖(例如65°波束覆盖)。在实际应用过程中，一方面对各个辐射单元预置幅度相位权值操作复杂，且会消耗辐射能量，导致天线的覆盖方向图波束会发生偏移；另一方面能够达到的最佳波束宽度约为56～75°，波宽收敛性仍较差。

由此可见，要解决现有MIMO天线所面临的上述诸多技术问题，困难较大。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种MIMO天线阵列、MIMO天线及基站，旨在突破现有技术瓶颈，改善MIMO天线的电气性能，提高天线工作的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明的MIMO天线阵列采用的技术方案是：

一种MIMO天线阵列，包括：

由多个第一阵元形成的第一天线阵列和由多个第二阵元形成的第二天线阵列；

所述第一天线阵列的工作频段与所述第二天线阵列的工作频段至少部分相同；

所述第一天线阵列的各所述第一阵元和所述第二天线阵列的各所述第二阵元沿基准轴线方向依次交替分布且互不干涉；

若设所述第一天线阵列和所述第二天线阵列相同工作频段的中心波长为λ，则所述第一阵元与所述基准轴线之间以及所述第二阵元与所述基准轴线之间的横向间距均保持在0～0.3λ范围内。

进一步的，所述第一天线阵列的各所述第一阵元及所述第二天线阵列的各所述第二阵元均分布于所述基准轴线上。

进一步的，所述第一天线阵列的各所述第一阵元均分布于所述基准轴线上，所述第二天线阵列的各所述第二阵元偏设于所述基准轴线的同一侧或者沿垂直于所述基准轴线的不同方向交错设置；

或者；

所述第一天线阵列的各所述第一阵元沿第一参考轴线依次设置，所述第二天线阵列的各所述第二阵元沿第二参考轴线依次设置，所述第一参考轴线和所述第二参考轴线分设于所述基准轴线的横向两侧并与所述基准轴线平行；

或者；

所述第一天线阵列的各所述第一阵元沿垂直于所述基准轴线的不同方向交错设置，且所述第二天线阵列的各所述第二阵元也沿着垂直于所述基准轴线的不同方向交错设置。

进一步的，在所述基准轴线方向上，相邻的两个所述第一阵元之间的纵向间距为0.7～1.1λ。

进一步的，在所述基准轴线方向上，相邻的两个所述第二阵元之间的纵向间距为0.7～1.1λ。

进一步的，在所述基准轴线方向上，各所述第一阵元和/或各所述第二阵元之间分别以相等的纵向间距排列。

进一步的，相对于所述基准轴线偏设的各所述第一阵元和/或各所述第二阵元与所述基准轴线之间的所述横向间距相等。

进一步的，所述第一阵元和所述第二阵元的数量相等。

进一步的，所述第一阵元和/或所述第二阵元包括双极化辐射单元；所述双极化辐射单元为±45°极化元件或垂直/水平极化元件。

进一步的，所述第一天线阵列包括作为所述第一阵元的多个第一辐射单元和作为所述第一阵元的多个第二辐射单元，结构相异的各所述第一辐射单元和各所述第二辐射单元沿所述基准轴线方向依次交替分布；

所述第二天线阵列包括作为所述第二阵元的多个第三辐射单元和作为所述第二阵元的多个第四辐射单元，结构相异的各所述第三辐射单元和各所述第四辐射单元沿所述基准轴线方向依次交替分布。

本发明的MIMO天线采用的技术方案是：

一种MIMO天线，包括反射板和上述MIMO天线阵列，所述MIMO天线阵列设于所述反射板上，所述基准轴线为所述反射板的轴对称线。

本发明提供的基站，包括上述MIMO天线。

基于上述技术方案，本发明的MIMO天线阵列、MIMO天线及基站相对于现有技术至少具有以下有益效果：

通过将第一天线阵列的工作频段与所述第二天线阵列的工作频段设置成至少部分相同，沿基准轴线方向分布的第一阵元与基准轴线之间以及沿基准轴线方向分布的第二阵元与所述基准轴线之间的横向间距均保持在0～0.3λ范围内，不仅能同时缩小第一天线阵列和第二天线阵列的左右边界宽度之间差距，从而能在一定程度上同时提高第一天线阵列和第二天线阵列的左右边界对称性，进而改善第一天线阵列和第二天线阵列的辐射方向图对称性，并使半功率波束宽度的波宽收敛性较好、波宽变窄，前后比和轴向交叉极化也能得到明显改善；还能缩小迎风面积、节省了天面资源；此外，采用第一阵元、第二阵元交替分布的排列形式还有利于整个MIMO天线阵列在反射板上具有紧凑的结构尺寸，并降低天线阵列方向图中的垂直面副瓣能量，使得各天线阵列的垂直面副瓣能量能够相互抵消；MIMO天线的整体性能提升，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例提供的MIMO天线阵列的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的MIMO天线阵列的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的MIMO天线阵列的第三种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的MIMO天线阵列的第四种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的MIMO天线阵列的第五种结构示意图；

图6为图1所示MIMO天线阵列的仿真结果图；

图7为现有MIMO天线阵列的结构示意图；

图8为图7所示MIMO天线阵列的仿真结果图；

附图标号说明：

100：第一天线阵列；101：第一阵元；200：第二天线阵列；201：第二阵元；300：反射板；Y₀：基准轴线；Y₁：第一参考轴线；Y₂：第二参考轴线；d1：横向间距；d2：纵向间距；D1：现有MIMO天线阵列中阵元相对于基准轴线的横向间距；D2：现有MIMO天线阵列中相邻阵元间的纵向间距。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它同样也可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1至图5所示，本发明实施例提供的一种MIMO天线阵列，包括：

由多个第一阵元101(未细示，参阅交叉线所示)形成的第一天线阵列100和由多个第二阵元201(未细示，参阅圆圈所示)形成的第二天线阵列200；

第一天线阵列100的工作频段与第二天线阵列200的工作频段至少部分相同；

第一天线阵列100的各第一阵元101及第二天线阵列200的各第二阵元201沿基准轴线Y₀方向依次交替分布且互不干涉；

若设第一天线阵列100和第二天线阵列200相同工作频段的中心波长为λ，则第一阵元101与基准轴线Y₀之间以及第二阵元201与基准轴线Y₀之间的横向间距d1均保持在0～0.3λ范围内。

上述MIMO天线阵列，通过将第一天线阵列100的工作频段与第二天线阵列200的工作频段设置成至少部分相同，沿基准轴线Y₀方向分布的第一阵元101与基准轴线Y₀之间以及沿基准轴线Y₀分布的第二阵元201与基准轴线Y₀之间的横向间距d1均可保持在0～0.3λ范围内，相对于现有MIMO天线阵列而言，不仅能同时缩小第一天线阵列100和第二天线阵列200的左右边界宽度之间差距，从而能在一定程度上同时提高第一天线阵列100和第二天线阵列200的左右边界对称性，进而改善第一天线阵列100和第二天线阵列200的辐射方向图对称性，并使半功率波束宽度的波宽收敛性较好、波宽变窄，前后比和轴向交叉极化也能得到明显改善；还能缩小迎风面积、节省天面资源；此外，采用第一阵元101、第二阵元201交替分布的排列形式还有利于整个MIMO天线阵列在反射板300上具有紧凑的结构尺寸。

应理解的是，上述第一天线阵列100和第二天线阵列200分别从属于不同的网络系统；上述第一阵元101和第二阵元201的结构可以相同，也可以不同。

需要说明的是，上述基准轴线Y₀为虚设参考线，并且在实际应用中，该基准轴线Y₀为反射板300的轴对称线，即反射板300关于该基准轴线Y₀对称。上述各第一阵元101和各第二阵元201互不干涉具体指的是当各第一阵元101和各第二阵元201安装在反射板300上时，任意第一阵元101与任意第二阵元201在反射板300的上的正投影相互之间、任意相邻第一阵元101在反射板300上的正投影相互之间、任意相邻第二阵元201在反射板300上的正投影相互之间均无干涉。

作为本发明的一个优选实施例，参照图1，第一天线阵列100的各第一阵元101及第二天线阵列200的各第二阵元201均分布于基准轴线Y₀上。即：第一天线阵列100与第二天线阵列200采用同轴设置。采用这种排列形式可使第一天线阵列100和第二天线阵列200设置在反射板300上时，各第一阵元101和各第二阵元201均相对于反射板300呈对称分布，各第一阵元101和各第二阵元201的左右边界均对称，从而使第一天线阵列100和第二天线阵列200的辐射方向图水平对称，半功率波束宽度的波宽收敛性、波宽窄、天线增益、前后比及轴向交叉极化均能达到最佳水平，同时能大幅缩小迎风面积、节省大量天面资源，使MIMO天线的可靠性大幅提升。

需要说明的是，现有技术中虽然存在将两个天线阵列采用同轴设置的排列形式，但是，采用该同轴排列形式实际上是现有的双频或多频天线常用的技术手段，并且在采用同轴排列形式时将两个天线阵列设置为工作频段完全不同已成为本领域的共识。本发明实施例克服现有技术偏见将第一天线阵列100的工作频段与第二天线阵列200的工作频段设置成至少部分相同，通过多次试验发现，对提升天线的各项性能指标具有较好的效果；在此基础上，工作频段的带宽均小于20％，能进一步提升天线的各项性能指标。

在实际应用中，上述工作频段的带宽可进一步设置成小于16％。

参照图8所示是由图7示出的现有MIMO天线阵列提供的仿真结果图；参照图6所示是由图1示出的MIMO天线阵列提供的仿真结果图，其中第一天线阵列100的工作频段与第二天线阵列200的工作频段相同。下面根据图8和图6的仿真结果，通过表格1对采用图1所示本发明实施例MIMO天线阵列(下称实施例)相对于图7所示现有MIMO天线阵列(下称对比例)的优点进行详细对比说明。

表格1：

对比参数对比例实施例半功率波束宽度72.4°～77.9°63°～64°前后比(dB)20.525.8±60°轴向交叉极化(dB)15.630.7

上述表格1对比结果表明，采用图1所示的MIMO天线阵列，半功率波束宽度为63°～64°，相对于现有技术而言波宽收敛性很好、波宽变窄；前后比和±60°轴向交叉极化明显改善。

更重要的是，经申请人多次试验得知，采用图1所示MIMO天线阵列还能使迎风面积缩小约50％，节省了天面资源，使天线的可靠性大幅提升。

此外，在保证第一天线阵列100的工作频段与第二天线阵列200的工作频段设置成至少部分相同，沿基准轴线Y₀方向分布的第一阵元101与基准轴线Y₀之间以及沿基准轴线Y₀分布的第二阵元201与基准轴线Y₀之间的横向间距d1均可保持在0～0.3λ范围内的前提下；上述第一天线阵列100和第二天线阵列200也可以采用不同轴设置的排列形式，具体可包括以下几种排列形式：

作为本发明的一个实施例，参照图2所示，第一天线阵列100的各第一阵元分布于基准轴线Y₀上，第二天线阵列200的各第二阵元沿垂直于基准轴线Y₀的同一方向交替错开设置的排列形式。

作为本发明的一个实施例，参照图3所示，第一天线阵列100的各第一阵元分布于基准轴线Y₀上，第二天线阵列200的各第二阵元沿垂直于基准轴线Y₀的不同方向交替错开设置的排列形式。

作为本发明的一个实施例，参照图4所示，第一天线阵列100的各第一阵元沿第一参考轴线Y₁依次设置，第二天线阵列200的各第二阵元沿第二参考轴线Y₂依次设置，第一参考轴线Y₁和第二参考轴线Y₂分设于基准轴线Y₀的横向两侧并与基准轴线Y₀平行。应当理解的是，在本实施例中，第一参考轴线Y₁与基准轴线Y₀之间的横向间距d1为0＜d1≤0.3λ，同理，第二参考轴线Y₂与基准轴线Y₀之间的横向间距d1也为0＜d1≤0.3λ。

作为本发明的一个实施例，参照图5所示，第一天线阵列100的各第一阵元101沿垂直于基准轴线Y₀的不同方向交错设置，且第二天线阵列200的各第二阵元201也沿着垂直于基准轴线Y₀的不同方向交错设置。同样以上述分设于基准轴线Y₀两侧的第一参考轴线Y₁和第二参考轴线Y₂进行说明，在本实施例中，第一参考轴线Y₁上交替分布有第一阵元101和第二阵元201，第二参考轴线Y₂上也交替分布有第一阵元101和第二阵元201，任意两个相邻的第一阵元101分别位于不同的参考轴线上，任意两个相邻的第二阵元201也分别位于不同的参考轴线上。

上述图2至图5所示排列形式相对于图7所示现有技术中将第一天线阵列100和第二天线阵列200以相对于基准轴线Y₀对称的方式并排设置而言，除具有更好的电气性能外，还有利于缩小MIMO天线阵列横向的宽度，具有更紧凑的结构尺寸。

作为本发明的一个优选实施例，在基准轴线Y₀方向上，相邻的两个第一阵元101之间的纵向间距d2为0.7～1.1λ。该纵向间距d2相对于图7所示现有MIMO天线阵列中任意天线阵列中相邻两个阵元之间的纵向间距D2略大，这样的设置能够有效的优化天线垂直面副瓣电平，并且在不增加第一天线阵列100与第二天线阵列200的安装难度和成本的同时，还可以优化阵列之间的隔离度，减少了列间耦合，相应的降低了去耦的难度和成本，使MIMO天线的电气性能和工作可靠性更好。

需要说明的是，上述纵向间距d2具体指的是两个阵元的几何中心之间的纵向间距d2。上述λ同样指的是各第一阵元101和第二阵元201相同工作频段的中心波长。

在实际应用时，上述第一天线阵列100和第二天线阵列200的工作频段优选完全相同。

同理，在基准轴线Y₀方向上，相邻的两个第二阵元201之间的纵向间距d2也为0.7～1.1λ，在此不作详述。

作为本发明的一个优选实施例，在基准轴线Y₀方向上，各第一阵元101和/或各第二阵元201之间以相等的纵向间距d2排列。即：在实际应用中，第一天线阵列100的各第一阵元101之间优选以相等的纵向间距d2排列；同样的，第二天线阵列200的各第二阵元201之间也优选以相等的纵向间距d2排列；以进一步优化副瓣电平。为了更加方便安装，容易理解的是，在基准轴线Y₀方向上，使交替设置的各第一阵元101和各第二阵元201以相等的纵向间距d2排列，即任意两个相邻的第一阵元101与第二阵元201之间的纵向间距d2相等。当然，根据不同的覆盖频段要求、增益需求以及辐射性能需求，采用等间距排列方式或者不采用等间距排列方式都是比较简单而容易的，在此可不做限制。

作为本发明的一个优选实施例，相对于基准轴线Y₀偏设的各第一阵元101和/或各第二阵元201与基准轴线Y₀之间的横向间距d1相等。当采用图2所示排列形式(具体参照之前的描述)时，各第二阵元201与基准轴线Y₀之间的横向间距d1相等，第一天线阵列100的各第一阵元101同轴分布且第二天线阵列200的各第二阵元201同轴分布，有利于降低安装难度和成本。当采用图3所示排列形式(具体参照之前的描述)时，各第二阵元201与基准轴线Y₀之间的横向间距d1相等，有利于改善第二天线阵列200左右边界的对称性，进而改善第二天线阵列200的辐射方向图对称性。当采用图4所示排列形式(具体参照之前的描述)时，第一参考轴线Y₁与基准轴线Y₀之间的横向间距d1等于第二参考轴线Y₂与基准轴线Y₀之间的横向间距d1，第一天线阵列100的各第一阵元101同轴分布且第二天线阵列200的各第二阵元201同轴分布，有利于降低安装难度和成本。当采用图5所示排列形式(具体参照之前的描述)时，第一参考轴线Y₁与基准轴线Y₀之间的横向间距d1等于第二参考轴线Y₂与基准轴线Y₀之间的横向间距d1，有利于改善第一天线阵列100左右边界的对称性以及第二天线阵列200左右边界的对称性，进而改善第一天线阵列100和第二天线阵列200的辐射方向图对称性，且相对于图1所示排列方式而言，能进一步压缩波宽，提高列间耦合度。

作为本发明的一个优选实施例，该MIMO天线阵列中第一天线阵列100所包括的第一阵元101的数量与第二天线阵列200所包括的第二阵元201的数量相等。具体在本实施例中，第一天线阵列100包括六个第一阵元101，第二天线阵列200包括六个第二阵元201。当然，也可根据实际用中MIMO天线的水平波束宽度、垂直波束宽度及增益需求等来设定。因此，本发明实施例中所涉及到的第一阵元101和第二阵元201的数量，只是为了举例说明本发明的具体实施方案，并不能对MIMO天线阵列及MIMO天线在结构上构成任何限定。

作为本发明的一个优选实施例，第一阵元101和/或第二阵元201包括双极化辐射单元。采用双极化辐射单元，有利于提高通信性能稳定性。

具体在本实施例中，上述双极化辐射单元可以是常见的±45°极化元件，也可以是垂直/水平极化元件，此处不做限制。

上述第一阵元101和/或第二阵元201既可以是具有三维空间立体结构设置形式，也可以采用现有的平面印刷辐射单元(例如微带振子)、贴片振子或半波振子等；也可以是上述任意类型的天线振子的组合。当采用三维空间立体结构设置时，上述第一阵元101和第二阵元201的形状可以是口字形、菱形、圆形、椭圆形、十字交叉形等，根据实际需要可以灵活选择。

在实际应用时，一种可选的结构是，上述第一天线阵列100的各第一阵元101可采用结构相同的辐射单元，以简化安装。另一种可选的结构是，第一天线阵列100中包括结构不同的两种辐射单元，即上述第一天线阵列100包括作为第一阵元101的多个第一辐射单元和作为第一阵元101的多个第二辐射单元，结构相异的各第一辐射单元和各第二辐射单元沿基准轴线Y₀方向交替分布；这样的结构有利于降低列间耦合度，从而提高列间隔离。

同理，上述第二天线阵列200中的各第二阵元201也可采用结构相同的辐射单元，以简化安装；或者，第二天线阵列200包括作为第二阵元201的多个第三辐射单元和作为第二阵元201的多个第四辐射单元，结构相异的各第三辐射单元和各第四辐射单元沿基准轴线Y₀方向交替分布；在此不赘述。

本发明实施例还提供了一种MIMO天线，包括反射板300和上述MIMO天线阵列，MIMO天线阵列设于反射板300上，基准轴线Y₀为反射板300的轴对称线。

上述第一天线阵列100的各第一阵元101和上述第二天线阵列200的第二阵元201设置在反射板300的同侧。

具体在本实施例中，上述第一天线阵列100中的部分或全部第一阵元101可通过绝缘模块(未示出)设置在反射板300上；相应的，第二天线阵列200中的部分或全部第二阵元201也可通过绝缘模块设置在反射板300上。绝缘模块可起到安装底座的作用，第一阵元101、第二阵元201设置在该绝缘模块上，方便拆卸，同时绝缘模块的绝缘特性可有效地避免各个阵元间因电流传导产生的干扰，从而有利于提高天线通信的稳定性。

本发明实施例还提供了一种基站，包括上述MIMO天线。

上述MIMO天线及基站由于与本发明MIMO天线阵列实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明MIMO天线阵列实施例相同，具体内容可参见本发明MIMO天线阵列实施例中的叙述，此处不再赘述。

需要说明的是，上述MIMO天线及基站还设有移相系统、合路器及赋形网络等其他所需的元件、结构或系统，这些元件、结构或系统均是在现有技术中常见的，因此不作详述。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。