基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善结构和方法

摘要

本发明涉及一种基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善结构和方法，其中基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善结构，其特征在于：包括多个PIFA天线、第一端与PIFA天线接各地臂分别电连接的多个50欧姆传输线和共同与各50欧姆传输线第二端电连接的RLC串联谐振电路，以及与PIFA天线各馈电端口电连接的多组电长度为e1+e2的传输线，每两组e1+e2传输线在电长度为e1处的节点处并联有一个SIR传输线。本发明可以应用于目前室内外小基站全向PIFA天线的隔离度提升，是一种系统的设计方法，可以解决多天线间隔离度差的问题，设计步骤明晰，解耦网络的加入，不影响原先设计好的天线的驻波和辐射特性，不需要反复的更改天线的布局。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善结构和方法。

背景技术：

随着现代通信技术的发展，MIMO技术的应用已经深入到所有常见的基站和终端中，而MIMO技术中一项关键的指标即天线的隔离，当天线间隔离不足时，MIMO系统的通信能力会下降，针对行业内的MIMO通信系统，一般情况下，天线的隔离要求在20dB以上，且越高越好。

由于目前基站以及终端等设备受到美观、抗风性以及成本这些因素的制约，对于设备的体积要求越来越苛刻，同时，MIMO系统对于通信速率的要求也越来越高，4*4以及8*8等多天线共存的情况将会更加普遍，这就导致了天线间距难以避免的相互靠近，天线的互偶严重，将导致MIMO系统性能的严重恶化。

近年来，针对降低天线间互偶的研究越来越多，其主要分为中和线解耦、谐振器解耦、寄生谐振单元解耦以及超材料解耦等，前两种技术是针对天线输入端口附近进行设计，后两种技术是作用于天线辐射近场，其主要思想均是提供另外一条耦合路径，其耦合效应与天线原先的空间耦合效应相抵消，目前，这些技术的研究主要应用于室内极小型的基站和终端以及大型的室外基站天线上，而针对室内外中小型的基站研究较少。

室内外中小型基站由于体积介于极小型基站或终端和大型室外基站之间，其留给天线的空间属于比较临界，天线间距依然可以大于全向天线辐射的近场，不像手机那么紧凑也没有宏站天线那么富裕，天线为了满足性能，MIMO系统天线之间隔离度往往在10~20dB之间，许多厂商往往通过合理的布局天线的位置或者使用交叉极化的方案来达到隔离度的要求，但是这种情况下往往牺牲了天线的辐射特性指标，前者是通过找寻天线辐射的零点，将零点位置对准相邻天线以改善天线之间的隔离，导致天线辐射的全向性恶化，后者对于隔离的提升效果很好，但是由于水平极化的天线的效率和覆盖范围不如垂直极化天线，且水平极化的天线在低频段需要占用较大的空间，是一种妥协的考量，两种方式虽然提升了天线间的隔离，但别的指标的恶化也会影响MIMO系统的性能。

目前，针对全向天线，比较优选的方法有以下两种，第一、寄生辐射阵子改善天线间耦合；这种方法对于天线数量少的MIMO系统较为有效，但是一旦多天线间隔离均不能满足指标，这种方式设计起来就会比较繁琐，因为多天线中两两互偶的情况较多也较为复杂；第二、切断地面的耦合电流；这种方法同样针对的是两两天线之间，一旦多天线之间无法满足隔离指标，设计往往难以进行。

发明内容：

本发明要解决的技术问题，在于提供一种能够提升基于PIFA天线的MIMO通信系统天线间隔离度的系统的设计方案，用于保证MIMO系统的通信性能能够发挥到最佳。

本发明基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善结构，其特征在于：包括多个PIFA天线、第一端与PIFA天线接各地臂分别电连接的多个50欧姆传输线和共同与各50欧姆传输线第二端电连接的RLC串联谐振电路，以及与PIFA天线各馈电端口电连接的多组电长度为e1+e2的传输线，每两组e1+e2传输线的节点处并联有一个SIR传输线。

进一步的，上述50欧姆传输线的电长度为360deg的整数倍。

进一步的，上述PIFA天线、50欧姆传输线、RLC串联谐振电路、e1+e2传输线和SIR传输线设在金属铝板或者FR4双层板上。

进一步的，在金属铝板或者FR4双层板上设有第一PCB板材，所述第一PCB板材上阵列有4个相同形状的PIFA天线，各PIFA天线呈水平躺置的“F”形，其一端与50欧姆传输线的第一端连接，4个PIFA天线共连接4个的50欧姆传输线， 4个呈弯折形的50欧姆传输线在第二端汇聚于PCB板材的中心并连接所述的RLC串联谐振电路。

进一步的，上述金属铝板或者FR4双层板的另一面设有第二PCB板材，第二PCB板材上设有所述的4组电长度为e1+e2的传输线和2个SIR传输线，各PIFA天线的另一端分别连接电长度为e1+e2的传输线，在两组电长度为e1+e2的传输线的节点上并联连接一个SIR传输线。

进一步的，四个50欧姆传输线的形状相同，其均包括依次垂直的第一短截段、第二短截段和第三短截段，以及与第三短截段连接的斜截段，斜截段末端为50欧姆传输线的第二端。

进一步的，上述SIR传输线呈直线形。

进一步的，上述4组电长度为e1+e2的传输线中2组e1+e2的传输线形状相同，且与另外2组形状不同的e1+e2传输线形状也不同。

本发明基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善方法，其特征在于：其中基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善结构包括多个PIFA天线、第一端与PIFA天线接各地臂分别电连接的多个50欧姆传输线和共同与各50欧姆传输线第二端电连接的RLC串联谐振电路，以及与PIFA天线各馈电端口电连接的多组电长度为e1+e2的传输线，每两组e1+e2传输线的节点处并联有一个SIR传输线；各50欧姆传输线第二端电连接的RLC串联谐振电路，从而形成对工作中心频率相邻天线的去耦，由于对称关系，去耦即在相邻间天线之间实现，满足旋转对称性；每两组e1+e2传输线的节点处并联有一个SIR传输线，解决非相邻间天线的耦合。

进一步的，上述传输线用微带线、带状线或同轴线均可实现。

本发明可以应用于目前室内外小基站全向PIFA天线的隔离度提升，是一种系统的设计方法，可以解决多天线间隔离度差的问题，设计步骤明晰，解耦网络的加入，不影响原先设计好的天线的驻波和辐射特性，不需要反复的更改天线的布局。

附图说明：

图1是本发明的原理图；

图2是本发明实施例的正面立体图；

图3是本发明实施例的背面立体图；

图4是使用本发明前后天线的的驻波情况图；

图5是使用本发明前后天线的水平辐射方向图；

图6是使用本发明后MIMO系统天线之间的隔离度对比图。

具体实施方式：

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

本发明基于PIFA天线的MIMO系统中多天线间隔离的改善结构包括多个PIFA天线（图2中的1、2、3和4）、第一端与PIFA天线各接地臂分别电连接的多个50欧姆传输线（图2中的10）和共同与各50欧姆传输线第二端电连接的RLC串联谐振电路7，以及与PIFA天线各馈电端口电连接的多组电长度为e1+e2的传输线（图3中的13、15、18和20），每两组e1+e2传输线的节点处并联有一个SIR传输线（图2中的8和9）。

上述50欧姆传输线对应天线工作中心频率的的电长度可以为360deg的整数倍。

上述PIFA天线、50欧姆传输线、RLC串联谐振电路、e1+e2传输线和SIR传输线设在金属铝板或者FR4双层板5上。

具体的是在金属铝板或者FR4双层板上设有第一PCB板材6，所述第一PCB板材上阵列有4个相同形状的PIFA天线（图2中的1、2、3和4），各PIFA天线呈水平躺置的“F”形（如图2所示），其一端(PIFA天线短路端)与50欧姆传输线的第一端连接，4个PIFA天线共连接4个的50欧姆传输线10， 4个呈弯折形的50欧姆传输线在第二端汇聚于PCB板材的中心并连接所述的RLC串联谐振电路7。

进一步的，上述金属铝板或者FR4双层板的另一面设有第二PCB板材21，第二PCB板材上设有所述的4组电长度为e1+e2的传输线和2个SIR传输线，各PIFA天线的另一端(馈电端)分别连接电长度为e1+e2的传输线，在两组电长度为e1+e2的传输线的节点上(在电长度长度为e1处的节点上) 通过金属化过孔并联连接PCB板材另一面一个SIR传输线8或9。

为了实现较好效果，四个50欧姆传输线的形状相同，其均包括依次垂直的第一短截段、第二短截段和第三短截段，以及与第三短截段连接的斜截段，斜截段末端为50欧姆传输线的第二端。

进一步的，上述SIR传输线呈直线形。

进一步的，上述4组电长度为e1+e2的传输线中2组e1+e2的传输线形状相同，且与另外2组形状不同的e1+e2传输线形状也不同。

本发明可以应用于目前室内外小基站全向PIFA天线的隔离度提升，是一种系统的设计方法，可以解决多天线间隔离度差的问题，设计步骤明晰，解耦网络的加入，不影响原先设计好的天线的驻波和辐射特性，不需要反复的更改天线的布局。

本发明主要应用的设计场景是室内外的内置全向基站天线，其天线是PIFA形式且主要放置于一个铝板或FR4双层板之上，以保证天线和电路的设计解耦，天线之间的间距在半个波长以上的情况。

图1以4天线单元MIMO为例，显示本发明的主要思路，任何4天线以上的MIMO通信系统，均可以通过此方法来提升系统天线间的隔离度，首先，根据MIMO系统的需求设计好所有PIFA天线的布局，使得所有PIFA天线的驻波和辐射指标均达到最优，然后，通过加载本发明的去耦网络在PIFA天线的接地端，实现相邻天线阵子单元之间的解耦，最后，通过在输入端加载去耦网络，实现对其余的天线单元间耦合的去耦。

图1中的天线集，其中m1、m2、m3、m4分别代表4个PIFA天线的馈电端口，n1、n2、n3、n4分别对应这4个PIFA的接地臂，此时，接地臂均与对应于天线工作中心频率的360deg电长度的50欧姆传输线相连，并断开与地的直连；同时，360deg电长度的50欧姆传输线另一端与一个RLC串联谐振电路相连，形成对工作中心频率的相邻天线的去耦（该50欧姆传输线的电长度为360deg的整数倍均可）。由于4个PIFA天线（第一、第二、第三和第四）一定的对称关系，去耦可以在天第一天线1和第二天线2以及第三天线3和第四天线4之间实现，满足旋转对称性；随后，为了解决非相邻间的天线耦合，在第一天线1、第三天线3以及第二天线2和第四天线4的输入端口采用中和线去耦的方案，分别并联SIR的传输线，其中电长度e1需要根据不同的天线设计来确定，如此实现第一天线1、第三天线3以及第二天线2和第四天线4这类非相邻传输线的去耦。

图1中的传输线可以用微带线，带状线同轴线等多种形式的传输线实现，效果并无差别。

图2、3是以本发明方法实现的一个具体实施示例，其中，第一天线1、第三天线3以及第二天线2和第四天线4分别是4个常见的PIFA天线，即工作在wifi-2.4GHz频段，5是金属铝板或者FR4双层板，双面开窗覆铜并且两面金属连接作为参考地，厚度1mm，6和21是FR4材质的PCB板材，7是RLC串联谐振电路，采用集总参数元件，8和9分别是两个相同的SIR传输线单元，10为中心频率处的360deg电长度的50欧姆传输线，四个天线对称相连于7处，天线通过位置12处与传输线相连，11为天线的输入端，通过过孔与背面的传输线13（e1+e2传输线）相连，13、15、18、20分别对应电长度为e1+e2的传输线，长度为e1（或者e1+360*n,n=0,1,2……整数）；图3中标号14、19、17、16分别对应与第一天线1、第三天线3以及第二天线2和第四天线4的输入端口相连，作为这四个天线与MIMO系统对接的接口。

图4是使用本发明前后天线的的驻波情况图，在wifi-2.4GHz频段，使用本发明后，天线的驻波性能并未发生恶化。

图5是使用本发明前后天线的水平辐射方向图；在wifi-2.4GHz频段，使用本发明后，天线的辐射性能并未发生恶化。

图6是使用本发明后MIMO系统天线之间的隔离度对比图；在wifi-2.4GHz频段，使用本发明后，所有隔离均优于20dB的要求。

以上图4-6说明使用本发明专利能在保证驻波和辐射特性的前提下，改善天线间的隔离，满足MIMO系统对天线间隔离度20dB的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。