本发明涉及电磁场与微波技术领域，特别涉及一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法。
背景技术：
5g时代的移动通信存在很多高容量场景，比如城市中心热点区域、密集高层建筑区域、体育场馆、大型室外活动场地等等。在现有移动宽带业务场景的基础上，为了进一步提升用户体验等性能，mimo成为应对高容量需求的关键技术。在实际应用中，由于尺寸的限制，mimo天线阵列单元间距无法做大，天线端口间的耦合在一定程度上影响mimo天线系统的性能。目前已有的方法大多采用在天线阵列结构中加入解耦网络、设计缺陷地结构或引入频率选择表面来抑制mimo阵列天线端口间的耦合。但是，以上方法除设计复杂、加工成本高之外，仅仅增加端口间的隔离度并不能够有效提升mimo阵列的自由度和信道容量，还应当综合考虑天线阵列中单元辐射特性带来的影响。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，增加多天线系统对不同方向来波的分辨力，在一定的角度扩展下降低天线端口间相关系数，提升mimo天线阵列的自由度及信道容量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，该mimo天线阵列结构为1*n，由电场极化方向与阵列排布方向垂直的矩形背馈微带天线单元组成，其特征在于，在相邻矩形背馈微带天线单元之间放置介质板20，从而通过影响单元辐射特性来降低天线端口间相关系数，提升多天线系统的自由度及信道容量。
所述的介质板20固定在天线罩或机框的内壁。
所述的mimo天线阵列10由四个矩形背馈单极化微带天线单元构成，阵列结构为1*4(1行4列)，天线单元的极化方向与阵列排布方向垂直。
所述的单元中心间距为0.3波长(自由空间波长)，间距小于半波长。
所述的mimo天线阵列10单元极化方向与介质板20平行。
所述的mimo天线阵列10工作频率为2.4ghz。
所述的介质板20介电常数为4.7、厚5mm、长90mm和宽80mm，介质板20分别加载在天线单元间隔中间以及两侧单元外侧的上方4mm处。
所述方法主要针对h面耦合的紧凑天线阵列(即天线单元电场极化方向与阵列排布方向垂直的1*n(1行n列)结构)有效。
本发明的有益效果：
本发明仅需在线极化紧凑mimo天线阵列辐射方向上加入介质板，即可在天线单元间距较小、单元间耦合较为严重的情况下，通过影响单元辐射特性来降低天线端口间相关系数，提升多天线系统的自由度及信道容量。所采用的方法无需改变mimo天线阵列结构，引入的介质板亦无需进行复杂的设计，整个方案易于实现。同时，介质板可选择固定在天线罩或机框的内壁，充分利用整机空间。此外，介质板的个数可以根据mimo天线阵列单元数进行适配，方法具有良好的扩展性。
附图说明
图1线极化紧凑mimo天线阵列加载介质板主视图。
图2线极化紧凑mimo天线阵列加载介质板侧视图。
图3线极化紧凑mimo天线阵列加载介质板俯视图。
图4线极化紧凑mimo天线阵列加载介质板结构示意图。
图5为mimo天线阵列性能仿真方法俯视图。
图6为mimo天线阵列性能仿真方法侧视图。
图7是mimo天线阵列单元端口相关系数仿真结果示意图一。
图8是mimo天线阵列单元端口相关系数仿真结果示意图二。
图9是mimo天线阵列自由度仿真结果示意图。
图10是mimo天线阵列信道容量仿真结果示意图。
图11是介质板与mimo天线阵列极化方式示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
所采用的介质板20及其在线极化mimo紧凑天线阵列10中的加载方式如下：如图1图2图3图4所示，mimo天线阵列10由四个矩形背馈微带天线单元构成，分别标号1、2、3和4。阵列工作频率为2.4ghz，单元中心间距为0.3波长(自由空间波长)。将五块介电常数为4.7、厚5mm、长90mm和宽80mm的介质板20分别加载在天线单元间隔中间以及两侧单元外侧的上方4mm处。
对于间距小于半波长(自由空间波长)的紧凑排布阵列10，在其单元间隔上方以多个高介电常数矩形介质板20以图4形式进行排布，同时mimo阵列单元极化方向与介质板平行。
所述的mimo天线阵列10单元极化方向与介质板20平行，如图11所示。
本发明的示例采用的是介质板加载矩形背馈微带天线mimo阵列。对于其他形式的mimo天线阵列，介质板的加载方式与矩形背馈微带天线mimo阵列类似，需要满足：
1)每个介质板加载在mimo阵列天线单元间隔上方，加载方式类似图1。多个介质板的摆放形式及mimo天线阵列的极化方式之间的关系如图11所示。
2)介质板与mimo阵列之间的间隔、介质板的介电常数以及厚度由仿真确定，选取端口相关系数较低、自由度及信道容量较高的结果。
3)阵列天线剖面方向介质板的高度可根据实际工程中天线罩和阵列天线之间的距离调整，满足介质板一端与天线罩接触、另一端与阵列距离满足2)中要求即可。
所提出的方法目的是提升mimo阵列的信道容量。
提升信道容量的原理是：通过在紧凑mimo阵列前方按图4描述的形式加载介质板，可以加快阵列近场相位沿单元排布方向的变化速度，在一定的角度扩展范围内，使阵列获得更低的单元间相关系数，从而得到更高的自由度和信道容量。
矩形介质板和mimo天线阵列10结构间存在距离，但距离的大小，介质板20的长(剖面长)、宽、高、介电常数以及个数均可以根据实际工程情况进行选择。根据仿真实验，一定程度下，介质板较长(剖面长)、较厚或介电常数较高，对紧凑mimo天线阵列的自由度和信道容量提升越明显。
对所提出的介质板加载的紧凑mimo天线阵列10结构性能的仿真方法如下：
图5为加载介质板的四单元矩形微带mimo阵列的俯视图，其中两条虚线所成的扇形区域限定了水平方向上可能的来波方向。图6为加载介质板的四单元矩形微带mimo阵列的左视图，其中两条虚线所成的扇形区域限定了在俯仰方向上可能的来波方向。整个仿真过程的目的即是为了评估mimo阵列对于一定立体角范围内的来波的分辨力，计算mimo阵列在来波作用下的相关系数、自由度及信道容量。立体角的范围需要根据mimo天线的应用场景指定，以水平角为例：如果要评估基站mimo天线阵列，通常图5中虚线所成扇形区域的角度为120°；而如果要评估类似路由器这样的终端mimo天线，则需要考察其对于全向来波作用时的性能，那么图5中虚线所成扇形区域的角度可以设置成180°。对于所提出的介质板加载的mimo阵列的结构，为了突出发明的优势，设置图6中两条虚线所成的扇形区域的角度为10°，图5中两条虚线所成扇形区域的角度变化范围为0°到90°，步长为10°，考察所提出结构在不同立体角范围中来波作用下的性能。
对于mimo阵列性能的评价，需要对相关系数、自由度及信道容量三个参量进行仿真。在确定来波所在区域的立体角之后，随机在限定的立体角区域内产生多组来波，记mimo阵列中第i个端口接收到的电压向量为
图7描述的是1、2单元端口相关系数随来波角度扩展的变化关系，横轴为水平方向来波角度扩展，单位为度，纵轴为1、2单元端口相关系数的绝对值，实线和虚线分别描述的是未加介质板的mimo阵列和本发明所提出结构的实验结果。可以看到发明中所提出的结构相比于没有介质板加载的mimo天线阵列，1、2单元端口的相关系数在一定的角度扩展范围内降低。由于仿真所采用的结构具有对称性，3、4端口的仿真结果与1、2端口完全相同。图8描述的是2、3单元端口相关系数随来波角度扩展的变化关系，坐标轴含义及图例与图3完全相同。从中可以看到所提出的加载介质板的结构对于mimo阵列2、3单元的相关系数的降低有着明显的作用。
图9描述的是mimo天线阵列自由度随来波角度扩展的关系，横轴为来波角度扩展，单位为度，纵轴表示天线阵列自由度，实线和虚线分别描述的是未加介质板的mimo阵列和本发明所提出结构的实验结果。可以看到所提出的加载介质板的结构对于阵列自由度有着明显的提升。
图10描述的是mimo天线信道容量的仿真结果，其中横轴为来波角度扩展，单位为度，纵轴表示天线阵列信道容量，表示每秒每赫兹的时频资源上传输的比特数，实线和虚线分别描述的是未加介质板的mimo阵列和本发明所提出结构的实验结果。发明所提出的结构对于mimo阵列的信道容量相比未加介质板的紧凑mimo阵列有着较大的提升，体现了所提出结构具有的优势。
1.一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，其特征在于，该mimo天线阵列结构为1*n，由n个电场极化方向与阵列排布方向垂直的矩形背馈微带天线单元组成，在相邻矩形背馈微带天线单元之间放置介质板20，从而通过影响单元辐射特性来降低天线端口间相关系数，提升多天线系统的自由度及信道容量。
2.根据权利要求1所述的一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，其特征在于，所述的介质板(20)可选择固定在天线罩或机框的内壁。
3.根据权利要求1所述的一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，其特征在于，所述的mimo天线阵列(10)由四个矩形背馈微带天线单元构成，阵列结构为1*4，天线单元的极化方向与阵列排布方向垂直。
4.根据权利要求1所述的一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，其特征在于，所述的单元中心间距为0.3波长(自由空间波长)，间距小于半波长。
5.根据权利要求1所述的一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，其特征在于，所述的mimo天线阵列(10)单元极化方向与介质板(20)平行，如图11所示。
6.根据权利要求1所述的一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，其特征在于，所述的mimo天线阵列(10)工作频率为2.4ghz。
7.根据权利要求1所述的一种提升线极化紧凑mimo天线阵列信道容量的方法，其特征在于，所述的介质板(20)介电常数为4.7、厚5mm、长90mm和宽80mm，介质板(20)分别加载在天线单元间隔中间以及两侧单元外侧的上方4mm处。
技术总结