一种用于多场景MIMO通信的低剖面天线墙及其设计方法

技术领域

本发明属于表面波天线技术领域，具体涉及一种用于多场景MIMO通信的低剖面天线墙及其设计方法。

背景技术

无线通讯技术经过几十年的发展已经贴合整个社会的方方面面，与现代人的生活息息相关。由于通信速率和带宽的不断上涨，万物互联的构架在人类社会中逐渐形成，不管是工业生产还是日常活动，各类移动通讯设备逐渐成为人们最常用的工具。天线作为无线通信的收发关键设备，其需求也随着应用场景的变化而日益增长。6G物联网系统更强调多用户互联，以及控制的协同化，因而对MIMO通信提出了更高的要求，作为一个场景的控制中继，要求天线阵对场景的覆盖满足达到最高增益，以实现最佳的MIMO通信，因此需要在保证天线增益的情况下，提升主瓣宽度，因此对于天线的形式有很高的要求。

以现有的技术来看，提升场景覆盖是单纯通过增加天线数量来实现，这些天线基本采用低增益宽主瓣，因此会对同一区域产生重叠覆盖，实际上是一种低效的设计，造成了能量的浪费，并且端口越多，馈电电路和端口耦合越复杂。此外，很多天线阵设计单纯考虑剖面或者耦合，而对MIMO天线端口对应的方向图之间的关联没有进行相关的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多场景MIMO通信的低剖面天线墙及其设计方法，解决了常规MIMO天线的天线间重叠区域覆盖引入的能量浪费问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于多场景MIMO通信的低剖面天线墙，所述低剖面天线墙由若干个阻抗单元阵列而成，每个阻抗单元包括由上至下的阻抗调节层、介质层和接地层；

阻抗调节层阵列形成阻抗调节板，介质层阵列形成介质基板，接地层阵列形成天线接地板；

阻抗调节层具有容性电阻，通过调节间隙调节对应的单元阻抗，用于通过不同的阻抗单元来实现表面波的激励；

在天线接地板的下表面上预制有外接端口。

进一步，外接端口沿着介质基板的水平轴线性排列。

进一步，当外接端口设置为四个端口时，距离介质基板中心的距离分别为40mm、24mm、24mm、40mm。

本发明还公开了所述的低剖面天线墙的设计方法，包括以下步骤：

S1、首先确定来波主要的传播路径，天线作为接收端时具有主瓣-90至90°的角度范围的来波角度功率分布；

S2、根据来波角度功率分布进行接收计算，选取基函数系，用基函数系对天线口面上的电流分布进行展开，并分析低剖面天线墙对应的等效电流分布，计算出满足需求的展开系数矩阵；

S3、根据展开系数矩阵得到统计最优方向图的空间角度分布；

S4、根据统计最优方向图的空间角度分布得到对应端口的方向图主瓣分布，通过表面波天线的全息映射关系，计算阻抗调节层对应的表面阻抗分布，设计出低剖面天线墙。

进一步，S2具体为：

首先选取基函数系，用基函数系对天线口面上的电流分布进行展开，并通过与并矢格林函数积分得到第m个特征模式对应电流分布的远场方向图

其中B

根据来波角度功率分布

根据天线端口处接收电压v

其中

记上式中积分

考虑到辐射功率归一化条件以及增益限制条件，用b

其中

向矩阵A引入热损耗电阻R

其中ξ

进一步，n,q的范围均为1至121，m,q为范围均为1至4。

进一步，S2具体为：

基函数系选取方形脉冲基函数系，其中方形脉冲基函数系表示为：

其中x

进一步，S2具体为：

S3中，将S2所得的展开系数矩阵B代入

进一步，S2具体为：

S4具体过程为：

通过电磁仿真软件进行仿真，在设定边界条件以后，利用入射波相位控制得到阻抗单元的表面波色散曲线，利用表面波色散曲线得到对应频点的单元相移，计算得到对应阻抗：

其中Z

g为阻抗缝隙宽度；

由天线方向图的俯仰角θ

其中X为平均阻抗，M为调制阻抗，k

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种用于MIMO通信的低剖面天线墙，由若干个阻抗单元阵列而成，每个阻抗单元包括由上至下的阻抗调节层、介质层和接地层，是一种三层结构设计，相较于常规的高增益天线阵列，具有极低的剖面，可以有效提升空间利用率。本发明设计的天线墙的馈电结构主要是接地层和馈电端口组成，结构简单无复杂馈电后端，可有效降低成本，提升使用可靠性。

本发明还公开了其设计方法，根据对应的场景可以设计特定的波束控制天线，利用算法得到其对应的统计最优方向图，并利用人工阻抗设计对应的表面波天线，将所需的最优方向图分布，通过表面波天线实现，进而得到整个天线阵面最优自由度和信道容量，可以实现最优的MIMO通信，并且避免了空间能量的浪费，提升了天线的工作效率，可以更好地在一定空间内实现物联网控制天线的作用，并且由于极低剖面，可以放置空闲墙面上并且不占过多空间，具有较好的商业应用前景。

附图说明

图1是室内场景天线墙MIMO通信示意图；

图2是MIMO天线阵方向图设计以及优化流程框图；

图3是当特征模式数限定为四时，四种天线统计最优工作模式对应的归一化基函数电流权值分布图；图中1，2，3，4代表计算得到的四种独立特征电流分布，编号1，2，3，4对应端口1，2，3，4；

图4是当特征模式数限定为四时，四种天线统计最优工作模式对应的归一化远场方向图；1，2，3，4编号代表图3中特征电流分布对应的端口1，2，3，4天线方向图；

图5a是表面波天线结构的层结构示意图；

图5b是位于最上层的阻抗调节板的正视图；

图5c是图5b中的A处局部放大示意图；

图5d是图5b中的B处局部放大示意图的正视图和俯视图；

图6是最优MIMO天线墙自由度示意图；

图7是最优MIMO天线墙信道容量示意图。

其中，1、天线墙；2、电脑设备；3、冷藏设备；4、空气调节设备；5、厨房设备；

1-1、外接端口；1-2、阻抗调节层；1-3、介质基板；1-4、天线接地板；1-5、介质层；1-6、接地层；1-7、阻抗调节板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1所示，本发明提出一种用于MIMO通信的低剖面天线墙，并提出对应场景的统计最优方向图的计算及优化办法，最终提出天线的设计方法。

图1中为该天线墙某一室内场景的应用示意图，该天线由于剖面极低，并且是平面设计，可以放置于室内空间的空闲墙面(室外场景亦可置于墙面上)。主要包括所设计四端口天线墙1，以及其应用室内场景的电脑设备2，冷藏设备3，空气调节设备4，常用厨房设备5。所设计四端口天线墙作为中继天线，通过接收来自电脑设备2、冷藏设备3、空气调节设备4及常用厨房设备5的信号，获得各个控制设备的工作状态，并根据控制端的指令发射控制信号，进而控制以上所有设备，使其实现对应功能。图中物体均为室内常用的一些智能家居，包含一些不可搬移设备，从侧面说明，室内空间场景设备位置，导致控制天线对于特定的角度空间有需求，即来波方向在一定的角谱范围内，通过优化算法来设计得到对应的天线，可以更高性能实现MIMO通信。

所述30GHz频段的MIMO通信天线墙为160×160mm，带宽20％，天线剖面为1.5mm。

所述30GHz频段的MIMO通信天线墙由阻抗单元组成，单元数量为8080，介质板厚度为1.016mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。该阻抗单元包括由上至下的阻抗调节层1-2、介质层1-5和接地层1-6；如图5a所示，阻抗调节层1-2阵列形成阻抗调节板1-7，介质层1-5阵列形成介质基板1-3，接地层1-6阵列形成天线接地板1-4；阻抗调节层1-2具有容性电阻，通过调节缝宽可以调节对应的单元阻抗，因此可以通过不同的阻抗单元来实现表面波的激励。

以下结合实施例来进行说明。

如图2所示，所述低剖面天线墙的设计方法，包括以下步骤；

第一步、确定传播环境中的来波角度分布来波的传播环境。

实际工作环境中来波的到达角度往往并非确定的值，而是具有一定统计特性的随机变量。通过将来波的功率角度谱引入最优方向图设计，能够得到达到统计意义上最佳MIMO性能的最优方向图设计。通过在实际工作环境中测量或估计得到来波角度功率分布

第二步、统计最优方向图计算：

首先是确定用于口面电流展开的正交基函数系，此处选取方形脉冲基函数系。

其中方形脉冲基函数系可表示为

其中x

优选实施例参数为：特征模式数等于4，阵面大小为1λ×1λ，基函数系选取为11×11的方形脉冲基函数系，来波分布

用该基函数系对天线口面上的电流分布进行展开得到相应展开系数，并通过与远场并矢格林函数积分，得到第m个特征模式对应电流分布的远场方向图：

其中B

进一步，可得到天线端口处接收电压的协方差矩阵R满足：

其中

记上式中积分

考虑到辐射功率归一化条件

其中

第三步、得到统计最优方向图的空间角度分布：

将第二步所得的展开系数矩阵B代入

从以上步骤得到的方向图，可以得到四个端口的主瓣信息，即可以得到对应θ

θ

第四步、天线设计过程：

首先是阻抗匹配过程，该过程可以通过电磁仿真软件来进行仿真，在设定边界条件以后，可以利用入射波相位控制来得到阻抗单元的表面波色散曲线，利用色散曲线得到的对应频点(30GHz)的单元相移φ

其中η

由以上的优化步骤得到空间方向图的主瓣分布，根据其θ

其中X为平均阻抗，M为调制阻抗，k

仿真所得到的低剖面天线墙，根据其具体远场方向图，来进行对应的MIMO通信性能评估：自由度以及信道容量的计算。

自由度来表征相关性能，根据仿真得到的信道矩阵以及对应的相关系数矩阵，将这相关系数矩阵映射为一个标量值该标量值即为自由度，因此，较大的自由度表明MIMO天线具有更好的整体相关性能，信道容量则是根据输入的天线方向图以及选定的信道模型，可以仿真得到MIMO信道矩阵，然后通过确保整个仿真期间发射端的发射功率恒定为目标对MIMO信道进行归一化，最后根据给定的平均信噪比和MIMO信道矩阵即可计算出信道容量，也能用于评估MIMO通信的性能。因此，用自由度和信道容量来作为评估的参数。

图3和图4分别为在上述优选实施例条件下优化得到的四种特征模式对应统计最优基函数归一化权值分布图以及对应的归一化远场方向图。图3是在给定截断高斯来波分布函数以及方形脉冲基函数系下，对应计算得到的幅度权重分布数值，颜色深浅代表权重的高低，可以看出，四端口间的电流模式为一个正交关系。同理，图4为利用图3的电流分布通过并矢格林函数积分得到的远场方向图，可以看到对应的主瓣交错分布，实现一种空间能量的最优覆盖。

图5a为整体低剖面天线墙的示意图。图5b中为所设计的天线阵正面图，包含80×80的方形阻抗匹配单元，图中1-3为160×160×1.016mm尺寸的介电常数为2.2的介质板，图中1-4为天线接地板。天线接地板1-4下方的四个端口沿着水平轴线性排列，距离中心的距离为40mm，24mm，24mm，40mm，每一个端口对应一个方向图。

天线接地板1-4下方的四个天线馈源采用单极子设计，天线长度为4.75mm，图5c中端口介质1-1外径的半径为0.86mm，下方有对应的接头。如图5d所示，阻抗单元包括阻抗调节层1-2、介质层1-5和接地层1-6，介质层1-5的介电常数为2.2，即为构成全息天线的基础。阻抗调节层1-2具有容性电阻，通过调节缝宽可以调节对应的单元阻抗，从而实现表面波的传导，进一步实现波束控制。阻抗单元的阻抗计算可以通过电磁仿真软件得到，其缝宽和对应阻抗可以一一映射。

图6和图7即为所得到的四端口天线墙的MIMO通信性能评估，即通过仿真得到的图5实施例中天线四个端口方向图(中心频点30GHz)，利用该方向图计算对应MIMO天线的四端口自由度以及天线整体信道容量。由图6可以看出对应的四端口天线自由度极高，超过3.85非常接近4，可以认为四种模态的方向图具有空间正交，并且其整体的信道容量也满足需求，随着角度扩展提升明显，达到系统的最优值。因此本设计可以有效提升天线间自由度和系统整体信道容量，从而达到最优值，进而满足场景内最优MIMO通信的需求。

综上所述，本申请提出一种用于多场景MIMO通信的低剖面天线墙及其统计最优方向图的综合方法，包含具体的算法设计以及对应的天线实现，可以适用于未来的智能物联网系统。

现有的常规全向天线采用全方向的波束覆盖，但是全空间覆盖实则是一种能量的浪费，新一代通信系统在追求更有效的通信连接，尤其是对于部分场景的控制天线来说，在一定角度范围内达到最优，可以避免全方位角度的浪费能量，从而提升整个系统的性能。目前关于统计最优方向图设计的方案很少，并且包含具体天线阵实现形式的工作更是没有。为此本发明从天线阵列的统计最优角度进行阵列设计指导，将一定角度范围的入射波作为分析基础，并进而提出根据该入射波得到的最优电流分布，同理得到远场方向图分布；根据所得到的统计最优方向图的具体主瓣信息，将其结合表面波天线，利用阻抗映射关系引入表面波，并且表面波和空间波存在全息映射关系，进一步得到对应的阻抗分布，即可实现该统计最优方向图的具体天线形式。

本发明第一个难点是关于统计最优方向图设计的概念引入。多数的设计方案只局限于单天线的优化，或者相关的方向图设计，很多无源天线阵只能针对特定方向进行设计，得到固定方向，成本较低但是功能单一；有源天线阵可以控制波束扫描但是成本较高。因此，本发明提出一种应对具有特定空间范围功率角度谱的入射波的天线阵列优化设计算法，将入射波以一种空间角度范围内的随机入射的方式作为初始设计条件，并根据入射波得到对应的空间分布基函数，利用基函数得到统计最优设计情况下的电流分布，进而可以反推出所需天线不同端口的远场方向图。此时得到的阵列端口方向图可以认为是空间正交，即天线端口间自由度达到最优，从而提升整体天线阵列性能。本发明第一次将统计最优方向图设计纳入阵列考虑，并且由于其良好的阵列自由度的提升，很适合于特定场景下的MIMO通信，可以使局部系统的信道容量达到统计最优。统计最优方向图是发明提出的核心思路，也是区别于其他天线设计专利的第一个主要技术手段。

本发明第二个难点是关于实现该最优方向图的天线形式。传统天线领域关于统计最优阵列的考虑均采用单偶极子最为单元，控制馈电网络实现特定的方向图。然而，这套思路仅局限于算法理想场景，未考虑天线实际实现形式。由于理想的偶极子阵列，按照设计，首先耦合因素成为实现形式的阻碍，其次偶极子及其馈电网络形成的天线阵对于空间需求很大，考虑到未来的很多应用场景，该方案不具有很好的商业价值。因此，本发明根据所提出的统计最优方向图设计方法，经过考虑采用低剖面天线墙作为实现形式，采用该设计思路的优点有：

(1)低剖面，天线结构较轻，适合于安置于空闲墙面，降低了物理空间布局的复杂度，具有良好的商业应用前景；

(2)馈电网络简单，因而天线的加工实现更加容易，只用考虑PCB工艺和端口，没有复杂的馈电网络设计；

(3)方向图波束调控较容易实现，因为通过统计优化方向图算法生成的天线方向图，波束生成是一个大问题，常规的天线形式实现很复杂，通过表面波天线可以更容易实现。因而，在考虑了算法需求以及实际的应用需求后，将表面波天线结合统计最优方向图，作为本发明的主要设计方案，具有较好的理论性，并且天线结构很适合于未来通信系统中物联网对于控制天线的需求，具有很好的市场需求。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。