Антенная система MIMO

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к устройствам MIMO и может быть использовано в аппаратуре широкополосной беспроводной радиосвязи с множеством входов/выходов (системах WiMAX, LTE и LTE-Advanced).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению - антенной системе MIMO, является изобретение по патенту US 2008/0258991 A1, «Multimode antenna structures Oct. 23, 2008-прототип.

Данная антенная система содержит два несимметричных либо симметричных вибратора, между которыми расположен развязывающий контур, представляющий собой четырехполюсник, состоящий из элементов с сосредоточенными либо распределенными параметрами. Проводимость четырехполюсника следует выбирать как можно меньшей, так как его клеммы находятся в точках пучностей тока. В такой антенной структуре резонансная частота вибраторов (диполей) остается той же, что и у вибраторов без развязывающей цепи, но при этом в характеристике коэффициента S11 наблюдается достаточно глубокий провал, ниже минус 20 дБ, а характеристика S11 немного смещается по частоте так, что провалы S11 и S21 не совпадают. Согласовать антенны можно с помощью простейшей LC-цепочки (цепи согласования). Минимальная связь между диполями достигается на частоте, когда ток, возбужденный в диполе 1 с помощью порта, равен по амплитуде току, наведенному на поверхности диполя 2. Разность фаз токов при этом равна приблизительно 160 градусов. Токи на диполе 2 для структуры не текут через клеммы на диполе 2. Вместо этого возбуждается резонансная мода, характеризующаяся противофазным распределением токов. Таким образом, ток, наведенный на диполе, не попадает на клеммы, что, во-первых, приводит к низким значениям S21, а во-вторых, амплитуды токов на обоих диполях практически одинаковы, что приводит к появлению ортогональных неискаженных взаимным влиянием диаграмм направленности, характеризующихся высокой степенью направленности. Управление шириной полосы развязки, а также частотой, на которой коэффициент корреляции (взаимной связи) между антеннами минимален, проводится изменением геометрических параметров цепи 3, соединяющей диполи 1 и 2. Частота развязки тем выше, чем дальше от антенных портов сдвинута цепь 3. Управление частотой и полосой согласования осуществляется изменением параметров диполей 1 и 2, а также параметров цепи согласования.

Недостатками данного технического решения является внесение в конструкцию поверхности нулевого потенциала под антенной и цепи декорреляции, требующих осуществлять подстройку каждого изделия при массовом производстве.

Настоящее изобретение направлено на достижение низкого коэффициента взаимной связи (коэффициента корреляции) между парой антенн, размещенных внутри компактного устройства радиосвязи на расстоянии, не превышающем несколько десятых длины волны, а также, получение двух ортогональных по направлению и поляризации диаграмм направленности, при сохранении удовлетворительных характеристик по согласованию, обеспечивается применением конструктивного решения, реализованного в выборе формы вибраторных антенн различного типа и их взаимного размещения с использованием разных вариантов запитки от приемопередатчика.

Решение поставленной задачи по снижению коэффициента взаимной связи между двумя антеннами достигается тем, что, в предложенной антенной системе MIMO первый вибратор представляет собой диполь с согнутыми или прямыми плечами с шунтовым питанием, запитываемый с помощью нерегулярной симметричной двухпроводной линии с проводниками, второй несимметричный вибратор произвольной формы представляет собой монополь в непосредственной близости которого расположена металлическая пластина с нулевым потенциалом, выполняющая роль противовеса монополя, при этом диполь размещен параллельно кромке упомянутой металлической пластины на расстоянии, превышающем длину второго излучающего элемента, размещенные на одной подложке в одной плоскости ортогонально друг другу, при этом второй вибратор (монополь) перпендикулярен той же кромке металлической пластины, при этом полоски нерегулярной полосковой линии, запитывающие первый вибратор (диполь), расположены по обе стороны второго вибратора симметрично его высоте.

Сопоставительный анализ предложенного устройства с прототипом [патент US 2008/0258991 A1] показал, что предложенное техническое решение существенно отличается от прототипа, так как не применяется СВЧ (сверхвысокочастотная) цепь для развязки входов, а, следовательно, его конструкция существенно проще, т.к. не содержит сосредоточенных реактивных элементов, которые используются в прототипе для реализации СВЧ (сверхвысокочастотной) развязывающей цепи.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общая схема предложенного антенного устройства, на фиг. 2 показан вариант антенного устройства с несимметричным питанием двух плеч диполя относительно пластины с нулевым потенциалом с помощью двух несимметричных портов через симметрирующий четвертьволновой трансформатор (8→7, 9→8), на фиг. 3 показано антенное устройство с вариантом запитки диполя с помощью полуволновой петли, образованной плечами запитки диполя и центральной частью диполя (запитывается верхнее плечо диполя в точках 8, 7, нижнее плечо закорочено на нулевой потенциал), выполняющей функцию симметрирования диполя.

Предлагаемое антенное устройство состоит из ортогонально размещенных диполя 1 с шунтовым питанием, запитываемого с помощью нерегулярной симметричной двухпроводной линии с проводниками 3, 4, монополя 2, расположенных на диэлектрической подложке 5. Антенна содержит металлическую пластину 6, выполняющую роль противовеса монополя 2 и точки запитки антенной системы 7, 8, 9, 10.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Диполь 1 запитывается с помощью нерегулярной симметричной двухпроводной линии с проводниками 3, 4 в точках 7, 9. Монополь 2 запитывается в точках 8, 10 относительно металлической пластины 6, которая, как правило, выполняет также роль земляного проводника (проводника с нулевым потенциалом) печатной платы. Токи, протекающие в проводниках 3, 4, возбуждают ток в диполе 1, формирующий диаграмму направленности данного антенного элемента. Также токи, протекающие в проводниках 3, 4, характеризуются одинаковой амплитудой и противоположными направлениями, поэтому они возбуждают в монополе 2 противофазные токи, излучение которых компенсирует друг друга, их суммарный вклад в точки запитки монополя 8, 10 равен нулю.

В свою очередь, токи, наводимые монополем 2, в плечах диполя 1, характеризуются также одинаковой амплитудой и противоположными направлениями, поэтому их суммарный вклад в точки запитки диполя 7, 9 также равен нулю. Отсюда следует возможность получения весьма высокой развязки между диполем 1 и монополем 2 по S-параметрам. Ортогональность поляризаций излучения диполя 1 и монополя 2, а также ортогональность их диаграмм направленности, обуславливает высокую степень декорреляции между сигналами на выходах диполя 1 и монополя 2, вычисляемую по их комплексным векторным диаграммам направленности.

С точки зрения удобства питания, предпочтительным является вариант несимметричного питания двух плеч диполя относительно пластины с нулевым потенциалом с помощью двух несимметричных портов, как показано на фиг. 2. Фазы электромагнитного поля в точках питания плеч диполя развернуты друг относительно друга на 180 градусов, обеспечивая тем самым требуемое распределение тока на поверхности монополя, и тока в плечах диполя.

Вариант запитки диполя с помощью полуволновой петли, образованной плечами запитки диполя и центральной частью диполя, выполняющей функцию симметрирования диполя, показан на фиг. 3. В такой схеме построения устройства используются два несимметричных порта запитки. Функцию симметрирования диполя может выполнять также симметрирующий трансформатор, выполненный в виде сосредоточенного элемента, или полосковый симметрирующий трансформатор с конструкцией, отличной от показанной на фиг. 3.

Использование предложенного технического решения позволит минимизировать уровень взаимной связи между антеннами, размещенными внутри компактного устройства с достижением низкого значения корреляции диаграмм направленности антенн и снижением зависимости антенной системы от размеров и формы поверхности с нулевым потенциалом.