Page 263 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 朴大志： 多极化 MIMO 信道特性与天线设计 723

与已有这些建模方法不同，文献 [24] 提出了一 接形式实现的 6 极化天线之间的隔离度很低 [14] ，从
种基于虚源方法的多极化MIMO信道建模理论。首 而对天线的方向图、效率、阻抗匹配等性能产生影
先，在自由空间信道中，由Maxwell方程的精确解析 响。因此设计紧凑型、低耦合、具有良好辐射特性的
解来获得理想的电、磁偶子天线的辐射特性，由此得 多极化 MIMO 天线成为国内外天线设计领域的重
到自由空间中的 6 极化 MIMO 信道矩阵，在此基础 要研究问题。关于2极化MIMO天线的设计理论已
上利用虚源方法来对存在多个反射面的多径信道 较为成熟，实现方式多样，也获得了广泛的应用，因
中的多极化 MIMO 信道进行建模，并通过电磁场数 此本文对此不进行过多介绍。文献 [40] 中实现了由
值仿真计算进行了验证。文献 [25] 中指出，在自由 3 个电偶极子与一个环天线构成的 4 极化 MIMO 天
空间中，即使采用6 极化天线，所获得的信道自由度 线，文献 [41] 中实现了一个工作于 377 MHz 的 6 极
也是 2，但这是基于远场平面波的假设。而文献 [24] 化 MIMO 天线，但这些天线并不是完全共点的，因
中指出，利用 Maxwell 方程精确解析解所得到的自 此降低了其低耦合特性的设计难度。近年来，紧凑
由空间中的 6极化MIMO 信道矩阵也存在6个非零 型、低耦合 3 极化天线的设计与应用已受到越来越
特征值，如图2所示，但其中的4个在远场非常小，多 多的关注，因此本文将主要对此方面进行介绍。
径信道中多极化 MIMO 信道容量比自由空间信道 已有 3 极化天线的实现形式很丰富，包括各种
中增加的原因是随着信道中多径数目的增加，会使 电偶极子、环天线、缝隙天线、微带贴片天线和介质
这些小的特征值在远场中获得明显增加。当信道中 集成波导 (Substrate integrated waveguide, SIW)
存在 3 个反射面时，6 极化天线与单极化天线相比，
等的组合，这些天线有各自的特点和优势，适于
在远场可获得的信道容量增益可以达到5倍 [24] 。 不同的应用场景和频段，其结构和性能比较列于
表 1。从表 1 中可见，这些 3 极化天线大多采用多层
2 多极化天线设计
结构 [40,42−46] 或三维立体结构来实现 [47−52] ，然而，

虽然早在 1993 年就出现了类似于图 1 所示的 为了便于集成和在便携式设备中应用，人们希望
[5]
共点正交 6 极化矢量天线 SuperCART ，但这种直 能够获得一个紧凑型、低剖面、平面结构且具有较低
表 1 3 极化天线对比
Table 1 Comparison of tri-polarized antennas

3
参考文献 尺寸 (λ 0 ) (h = height) 工作频率/GHz 隔离度/dB 结构
[40] 0.675 × 0.675 × 0.045 2.186 ∼ 2.269 > 22 1 loop and 2 dipoles, staked together
[42] 0.783 × 0.783 × 0.09 2.4 ∼ 2.59 > 16 A dual polarized patch and a disk-loaded monopole, 3 layers
[43] 0.768 × 0.768 × 0.047 2.4 ∼ 2.47 > 24 2 slot-coupled microstrip and a disk-loaded monopole, 3 layers
[44] 0.936 × 0.936 × 0.0741 2.13 ∼ 2.43 > 20 A quasi-cross-slot and capacitive coupling fed patch, 3 layers
[45] 0.604 × 0.604 × 0.047 2.4 ∼ 2.48 > 24 A dual polarized patch and a disk-loaded monopole, 3 layers
A quarter mode SIW-guide antenna and two open-end slots,
[46] 0.198 × 0.198 × 0.07 3.4 ∼ 3.6 > 12.5
2 layers
[47] Not given 3.75 ∼ 3.85 > 16 Tri-polarized dipole, 3D
[48] 0.43 × 0.43 × 0.43 2.5 ∼ 2.6 > 18 Tri-polarized dipole, 3D
[49] 0.39 × 0.39 × 0.39 2.45 ∼ 2.52 > 25 Tri-polarized loop and tri-polarized dipole, 3D
Diameter = 0.06λ 0 ,
[50] 2.3 ∼ 2.344 > 25 A dual polarized DRA and a monopole, 3D
h = 0.063λ 0
[51] h = 0.25 2.17 ∼ 2.20 > 15 A dual polarized patch and a monopole, 3D
[52] 0.56 × 0.56 × 0.56 2.35 ∼ 2.47 >38 Tri-polarized slit-slot antenna array, 3D
Diameter = 2.56λ 0 ,
[53] 5.77 ∼ 5.91 > 35 Tri-polarized slot antenna, planar
h = 0.063λ 0
Diameter = 0.35λ 0 ,
[54] 3.46 ∼ 3.57 > 13 A dual polarized patch and a monopole, planar
h = 0.035λ 0