CN102217139A - 用于发出锥形辐射的无线天线 - Google Patents
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Abstract
本文所述的天线包括驱动贴片，配置为响应于接收激励电流在侧边方向发出辐射，所述驱动贴片包括相互近似平行的第一辐射边和第二辐射边。所述天线还包括反射器元件，配置为将所述第一辐射边发出的辐射反射至准端射方向。所述天线还可包括两个导向器元件，配置为将所述驱动贴片的第二辐射边发出的辐射导向至准端射方向。
Description
背景技术
无线技术的使用在当今社会已经非常流行。例如，很多个人使用蜂窝电话与其他人进行通信。一些蜂窝电话也配备有允许用户立即访问他们的电子邮件以及互联网的应用程序，因而允许用户进行诸如查看最近新闻、查看股票价格及其他的活动。此外，许多家庭、商业场所及工作场所已经配备有无线网络，使得用户能接入内联网和/或互联网。
在另一个例子中，游戏系统也可以配备有无线功能以使得游戏系统的用户可以使用与游戏设备进行无线通信的控制器。例如，按键的压下或一个特定的动作可从控制器传输至游戏系统。
当通过无线连接的方式发射或接收数据时，采用天线以在设定的频率谐振，使得天线跨一地理区域发出编码有信号的辐射。根据一个例子，无线路由器可以包括一个或多个天线，用于发出想要能够到达建筑中的一个或多个房间的辐射。传统的无线路由器采用标准的单极天线(monopole antennas)，单极天线仅能提供全方向的辐射(例如圆形辐射)，可达到的天线增益为2至7dBi之间。因此，为了将能够在路由器和接收(无线)设备之间传输的数据的数量充分最大化，无线路由器的放置以及其中的天线就变得很重要。此外，为了发射信号，与可达到的增益范围较高端的天线的输入功率相比，对于可达到的增益范围较低端(例如2至4dBi)的天线而言，必须向天线输入更多的功率。此外，传统的无线路由器并不对功耗进行优化，即使是一个单独的用户或者相对较小的一组用户驻留在一个特定的区域(例如360度的一个相对较小的子集)，信号仍在360度范围内发射。换言之，无线天线在房间或建筑中没有用户驻留的区域也发出辐射。
发明内容
以下是对本文中详细描述的主旨的简要概述。此处发明内容并非是对权利要求保护范围的限定。
本文详细描述了多种与无线通信相关的技术。本文中描述的技术可以用于任何合适的无线系统，包括但不限于蜂窝电话塔、游戏系统、无线路由器等。在一个示例中，此处详细描述的天线可以被诸如无线路由器的无线传输设备采用。天线可以包括驱动贴片(driven patch)，驱动贴片可以是边射辐射器。换言之，驱动贴片可以放置于一基板上，并且在基本垂直于基板平面的方向上可最大地发出辐射。此外，天线还可以包括反射器元件，配置为反射驱动贴片的第一辐射边发出的辐射。天线还可以包括两个导向器元件，配置为对驱动贴片的第二辐射边发出的辐射进行导向。反射器元件和两个导向器元件共同用作将驱动贴片发出的最大辐射的方向从侧边方向变更至准端射方向。两个导向器元件用作通过结构干涉(constructive interference)增大驱动贴片发出的辐射的增益。可以通过改变天线发出的辐射的频率来改变天线发出的最大辐射的方向。
上述天线可以以十字结构放置于邻近三个其他的基本类似的天线，从而提供360度覆盖。例如，四个天线中每个天线的反射器元件可以朝向十字结构的中心放置。每个天线可以将辐射导向至近似90度的覆盖区域。因此，可以选择性地向四个天线中的一个子集提供激励电流，以向一个特定的区域提供辐射(例如，需要的覆盖范围小于360度)。在一个示例中，使用便携计算设备的用户可以满意地从包括四个天线的无线路由器接收到辐射。用户可以相对于无线路由器对定位，使得仅需要四个天线中的一个来向该用户提供辐射。因此，可以选择性地向无线路由器中的一个天线提供激励电流，而不需要向无线路由器中的其他三个天线提供，从而增大了提供至用户的辐射的增益并减小了无线路由器的功耗。
通过阅读和理解附图以及说明书可以了解其他方面。
附图说明
图1为一天线的示例性的描述。
图2为一示例性的天线排布。
图3示出了一示例性的天线及这样的天线的辐射覆盖范围。
图4示出了一示例性的无线路由器。
图5示出了一无线路由器的示例性的工作过程。
图6为示出了创建一天线的示例性的方法的流程图。
图7为示出了选择性地向多个天线中的一个提供激励电流的示例性的方法的流程图。
图8为示出了配置无线路由器的示例性的方法的流程图。
图9为示例性的计算系统。
具体实施方式
下面将结合附图对与无线通信相关的多种技术进行描述，全文中相同的标识号表示相同的部件。另外，全文对系统的实施例中的几个功能模块进行阐述和说明以进行解释，但是，应当理解的是，描述中由某些系统部件执行的功能可以由多个部件来实现。类似的，例如，可以对一部件进行配置以实现描述中由多个部件执行的功能。
参考图1，示例性的天线100被示出。天线100可以用于多种无线通信设备，包括但不限于无线路由器、游戏系统、蜂窝电话传输塔或其他传输无线信号的合适的无线通信设备。天线100可以是一般地沿x-y平面(如坐标系102所示)配置的平面天线。此外，天线100可以相对于轴线104近似对称，其中轴线104基本平行于坐标系102中示出的x轴。
天线100包括驱动贴片106，可配置为响应于在从微带线、馈电端或其他合适的来源接收激励电流而发出辐射。如此处所示，驱动贴片106包括相互基本平行的第一辐射边108和第二辐射边110。驱动贴片106可以是边射辐射器，使得从驱动贴片106沿z轴(例如，近似垂直于x-y平面)最大地发出辐射。
天线100也可以包括反射器元件112，配置为将驱动贴片106发出的辐射直接反射至第一辐射边108。反射器元件112可用作将发出的最大辐射的位置自z轴改变了θ度，其中θ大于0。如图1所示，反射器元件112的宽度(Wref)可以大于驱动贴片106的宽度(Wdp)。将反射器元件112的宽度配置为大于驱动贴片106的宽度可以防止反射器元件112谐振。防止反射器元件112谐振可以允许反射器元件112将驱动贴片106发出的辐射反射至沿x轴。
此外，反射器元件112可以与驱动贴片106的第一辐射边108隔开第一间隔(g1)。可选择第一间隔g1的大小以促进驱动贴片106和反射器元件112之间的充分耦合。如果第一间隔g1过大，驱动贴片106至反射器元件112的近场可能会不够大。可考虑天线100的空间约束来选择反射器元件112的长度(Lref)。
天线100还可以包括两个导向器元件114和116，配置为将驱动贴片106发出的靠近第二辐射边110的辐射导向至沿x轴。因而反射器元件112和两个导向器元件114和116可以使得天线100用作准端射辐射器。第一和第二导向器元件114和116可以与驱动贴片106隔开第二间隔(g2)。
在一个示例中，第一和第二导向器元件114和116之间的第二间隔g2可以和驱动贴片106与反射器元件112之间的第一间隔g1大致相同。再一次地，可选择第二间隔g2的大小以促进驱动贴片106与第一和第二导向器元件114和116之间的耦合。如果第二间隔g2的大小过小，天线100的近场可能会被干扰，而且天线100发出的辐射图样中可能会出现寄生波瓣(spurious lobes)，使得这样的图样失真。如果第二间隔g2过大，从驱动贴片106至第一和第二导向器元件114和116的近场可能会不够大，天线100将用作边射辐射器(例如，驱动贴片106将成为天线100中唯一发出辐射的元件)。
第一导向器元件114和第二导向器元件116彼此之间沿y轴可隔开第三间隔g3。可基于辐射沿y轴所需的改变量选择第三间隔g3的大小。在一示例中，第一和第二导向器元件114和116的长度(Ldir)可以略小于驱动贴片106的长度(Ldp)。例如，所知道的是谐振频率(fres)大约是λg/2，其中λg表示波导波长(guided wavelength)且考虑到了承载天线100的基板的等效介电常数εeff。第一和第二导向器元件114和116可以沿它们的长度方向谐振，因而如果第一和第二导向器元件114和116的长度略小于驱动贴片106，驱动贴片106可以由一略高的谐振频率激发。由于驱动贴片106与第一和第二导向器元件114和116的谐振频率相对接近，如果在该频率上阻抗匹配较好，整体的阻抗带宽将大幅增加。
如上所述，可选择第一和第二导向器元件114和116之间的第三间隔g3以主要最大化在准端射方向上的增益而不导致输出的辐射图样中出现寄生辐射。而且，如上所述，第一和第二导向器元件114和116可相对于轴线104基本对称地放置。
两个导向器元件114和116的使用，通过第一和第二导向器元件114和116导向的辐射的结构干涉，可以增大天线100的增益。在一示例中，驱动贴片106发出的辐射由第一导向器元件114导向至自轴线104(例如x轴)偏移
类似的，第二导向器元件116将驱动贴片106发出的辐射导向至自轴线104(例如在x-y平面上)偏移-
由第一导向器元件114和第二导向器元件116导向的辐射可以结构干涉，使得第一和第二导向器元件114和116导向的辐射基本上最大地沿x轴(例如沿轴线104)导向。通过天线100中各元件的使用，天线100可以作为准端射天线，提供大约为90度的半锥形覆盖区域的辐射覆盖。
现在参考图2，一个示例性的平面天线结构200被示出。如所示，示例性的天线结构200包括4个与图1及相关描述所示的天线100基本类似的天线，4个天线配置为十字结构。但是，应当理解的是，天线结构200可以包括任意数量的与图1所示的天线100基本类似的天线。例如，一个示例性的天线结构可以包括按照八角形配置的8个天线。平面天线结构中的多个天线应当至少部分基于图1所示的天线中所选的元件与天线间的距离。
在示例性的天线结构200中，天线结构200包括4个天线，202、204、206和208。天线202-208中的每一个都可以包括与图1相关的所示驱动贴片、反射器元件和两个导向器元件。可以对天线202-208进行配置，以使每一天线中的反射器元件朝向十字结构的中心放置。
示例性的天线结构200的十字结构可以由两条轴线210和212定义，其中轴线210一般沿x轴，轴线212一般沿y轴。天线202和206可以关于轴线212近似对称放置，而且距离轴线212的距离近似相等。类似的，天线204和208可以关于轴线210近似对称放置，而且距离轴线210的距离近似相等。
当全部4个天线202-208被同时激发时，示例性的天线结构200可以用作发出锥状的辐射。当示例性的天线结构200中的天线202-208其中的一个单独的天线被激发时，该单独的天线可以在近似90度的区域(例如一个象限)内发出辐射。
例如，第一天线202可以配置为在第一象限214发出辐射，第二天线204可以配置为在第二象限216发出辐射，第三天线206可以配置为在第三象限218发出辐射，第四天线208可以配置为在第四象限220发出辐射。此外，应当理解的是，天线结构200发出的辐射频率可以改变，因而锥形地发出的辐射的半径可被更改。
现在参考图3，一个示例性的以锥状形式发出辐射的天线结构(例如天线结构200)的绘图300被示出。所示的天线结构200安装基底302上。基底的介电常数小于6，为了促进阵列耦合，驱动贴片和反射器元件之间的中心至中心的最大距离为一自由空间量，该自由空间量近似等于自由空间波长(λ0)/2。驱动贴片和反射器元件的大小可以是波导波长(λG)/2的函数，作为基底302的介电常数的函数而变化且小于自由空间波长(λG/2＜λ0/2)。如上所述，天线结构200可以以锥状形式发出辐射(例如，如图中所示的锥形形状304)，其中该锥形形状304的半径至少部分基于天线200发出的辐射频率。
现在参考图4，便于选择性地向天线结构(例如天线结构200)中的一个或多个天线(例如天线100)提供电力的示例性的系统400被示出。系统400包括配置为向设备404提供辐射的无线路由器402，其中设备404是具有无线功能的设备。无线路由器402可以包括如图2所示的天线结构200。如上所述，天线结构200可以包括4个天线202、204、206和208，上述天线可以按照与图1所示的天线100基本相似的方式来配置。
无线路由器402可以包括接收器部件406，可以接收来自与无线路由器402相关的设备404的位置指示。例如，设备404可以为启用GPS的设备，可以向无线路由器402提供位置指示。在另一示例中，无线路由器402可以使用三角测量法(triangulation)或其他适当的技术来确定设备404的位置。但是，应当理解的是，任何用于确定设备404位置的合适的方法都被构想并且应当落入与此相关的附加的权利要求的保护范围。
无线路由器402另外还包括控制部件408，控制部件408可以至少部分基于接收到的设备404的位置指示向多个天线202-208的一个子集提供激励电流。例如，控制部件408可以确定设备404落入对应天线208的象限中而非落入对应天线202-206的象限中。因此，控制部件408可以向天线208选择性地提供激励电流，而不向天线结构200中的其他天线提供激励电流。
在另一示例中，接收器部件406可以确定两个设备都需要接收来自无线路由器402的辐射。例如，接收器部件406可以接收与天线206相关的2个设备的位置。控制部件408可以确定两个设备中的第一个在对应天线206的象限中，并进一步确定第二个设备在对应第一天线202的象限中。因此，控制部件408可以选择性地向天线206和202提供激励电流，而避免向天线204和208提供激励电流。
在另一示例中，控制部件408可以至少部分基于接收到的设备404的位置指示选择性地从多个天线202-208中的一个子集移除激励电流。例如，初始时向无线路由器402中的天线结构200中的每一个天线202-208提供激励电流，因而使得无线路由器402在360度区域范围内锥形地提供辐射。接收器部件406可以接收设备404的位置指示，并确定设备404是无线路由器402范围内的唯一设备。设备404可以位于对应第四天线208的象限。因此，控制部件208可以选择性地从第一天线202、第二天线204和第三天线206移除激励电流。
在又一实施例中，控制部件408可以至少部分基于无线路由器402覆盖范围内的具有无线功能的设备的数量及位置向不同的天线202-208提供特定量的激励电流。例如，多个无线设备位于无线路由器402的覆盖范围中，其中绝大部分设备落入对应第一天线202的象限中，而少数设备落入对应第三天线206的象限中。因此，控制部件408可以向第一天线202提供比第三天线208更大的激励电流。
如上所述，天线结构200和无线路由器402可以包括比图4所示的4个天线202-208更多或更少的天线。本领域技术人员应当理解的是，控制部件408可以适用于至少部分基于天线结构200中的多个天线来选择性地提供或移除激励电流。
现在参考图5，无线路由器402的工作过程的一个示例性的绘图500被示出。在该实施例中，无线路由器402放置于房间504的天花板502上以便于在房间504中提供基本上最大的辐射覆盖范围。设备404也位于包括无线路由器402的房间504中。例如，设备404可以是笔记本电脑、个人数字助理、便携式媒体设备、便携式电话、视频游戏控制器或其他可以通过无线连接接收或发射通信的适当的设备。
如上所述，无线路由器402可以配置为以锥形方式发出辐射，从而覆盖基本上房间504中可能找到无线设备的各个部分。按照一示例，无线路由器402可以包括包括4个天线的天线结构，其中每一个天线配置为向房间504的一个特定的象限(如图4及相关描述所示)提供辐射覆盖。图5所描绘的示例中，设备404被示为房间504中唯一的需要从无线路由器402接收辐射的无线设备。因此，可以向无线路由器402中的配置为向房间中包括设备404的象限提供辐射的一个天线提供激励电流，而不向无线路由器中的其他天线(其他天线并非配置为向设备404所处的象限提供辐射覆盖)提供激励电流。为了向房间中的特定部分提供辐射覆盖而选择性地对无线路由器402中的一个天线提供激励电流，可以有利于降低功耗，也可以增大设备404可见的增益。
现在参考图6-8，示出和描述了多种方法。所述方法以一系列顺序进行的操作来描述，应当理解的是所述方法不限于该顺序。例如，某些操作可以以不同于本文所描述的次序来进行。另外，一个操作可以和另一操作可以同时进行。进一步地，在一些具体实例中，在实现本文描述的方法时并非所有的操作都是必需的。
此外，本文描述的操作可以是计算机可执行的指令，指令可以由一个或多个处理器执行并且/或者存储在计算机可读的媒介上。计算机可执行的指令可以包括程序指令(routine)、子程序指令(sub-routine)、程序(program)、执行过程中的线程和/或其他类似的。更进一步地，方法中操作的结果可以存储于计算机刻度的媒介中，显示在显示设备上，和/或其他类似的。
现在具体参考图6，示出了一个便于配置用于无线环境的天线的方法600。方法600从602开始，在604中配置驱动贴片响应接收激励电流来发出辐射。驱动贴片可以包括第一辐射边和第二辐射边，驱动贴片可以配置为在侧边方向发出辐射。
在606，可以将反射器元件放置于驱动贴片的第一辐射边附近以反射驱动贴片发出的辐射的一部分。例如，反射器元件可以配置为对驱动贴片发出的辐射进行反射，以使该辐射被导向至准端射方向。
在608中，可以将两个导向器元件放置于驱动贴片的第二辐射边附近以将驱动贴片发出的辐射的一部分导向至准端射方向。例如，两个导向器元件可以共同用作通过结构干涉增大增益和驱动贴片发出的辐射。方法600在610结束。
现在参考图7，示出了用于选择性地向无线路由器的天线的一个子集提供激励电流的方法700。方法700自702开始，在704中，将天线结构配置为包括4个虚拟的八木(yagi)阵列(天线)。例如，一虚拟的八木阵列可以包括如图1所示以及相关描述的驱动贴片、反射器元件和两个导向器元件。此外，如图2所示以及相关描述，4个虚拟的八木阵列可以排布成十字结构。
在706中，检测需要接收天线结构发出的辐射的设备的位置。按照一个示例，检测到的位置可以是设备相对于无线路由器/天线结构的位置。
在708中，至少部分基于检测到的设备的位置，选择性地向4个虚拟的八木阵列中的一个提供激励电流。方法700在710结束。
现在参考图8，示出了一个用于配置天线结构的示例性的方法800。方法800从802开始，在804中将无线信号传输设备配置为包括多个边射辐射器。无线信号传输设备可以是或可以包括无线路由器、蜂窝电话塔、广播塔或其他任何配置为传输辐射的适当的设备。在806，在边射辐射器附近放置反射器，以改变边射辐射器发出的辐射中的至少一部分的方向。例如，可以对反射器进行配置以将辐射反射至准端射方向。
在808中，将导向器放置于边射辐射器附近以使无线信号传输设备呈锥形最大化地发出辐射。按照一个示例，可以将无线信号传输设备放置于天花板上以在房间内提供最大的辐射覆盖范围。方法800在810结束。
现在参考图9，示出了可以与本文公开的系统及方法协调使用的示例性的计算设备900的高级示意。例如，计算设备900可以用于支持发射或接收无线信号的系统中。在另一示例中，计算设备900的至少一部分可以用于支持选择性地向包括多个天线的天线结构中的一个或多个天线提供激励电流的系统中。计算设备900包括至少一个用于执行存储于存储器904中的指令的处理器902。例如，指令可以是实现由以上讨论的一个或多个部件所执行的功能的指令，或者可以是实现以上描述的一个或多个方法的指令。处理器902可以通过系统总线906访问存储器904。存储器904除存储可执行的指令外，还可以存储将通过无线链接、IP地址等方法传输的数据。
计算设备900另外还包括数据存储器908，处理器902可以通过系统总线906访问数据存储器908。数据存储器908可以包括可执行的指令、将通过无线链接、IP地址等方法传输的数据。计算设备900还包括输入接口910，输入接口910允许外部设备与计算设备900通信。例如，输入接口910可以用于从诸如PDA、移动电话等外部的计算设备接收指令。输入接口910还可以用于从用户处接收指令，该指令由用户通过诸如定点和点击机制、键盘等输入设备发出。计算系统900还包括输出接口912，输出接口912将计算设备900与一个或多个外部设备相接。例如，计算设备900可以通过输出接口912显示文本、图像等。
另外，虽然计算设备900作为一个单独的系统示出，但应当理解的是计算设备900可以是一分布式系统。因此举例而言，数个设备可以通过网络连接来通信，并可以共同地执行由计算设备900执行的任务。
本文中所使用的术语“部件”和“系统”包括硬件，软件，或硬件和软件的结合。因此举例而言，系统或部件可以是进程，在处理器上执行的进程，或处理器。另外，部件或系统可以局限在一个单独的设备上或分布于几个设备上。
本文中提供了数个实施例以进行解释。上述实施例不应解释为与此相关的附加的权利要求的限制。另外，应当认识到的是，对本文提供的实施例的改变仍然落入权利要求的保护范围。
例如，100中的计算设备可以用于支持在无线环境中传输辐射的系统。在另一示例中，计算设备900中的至少一部分可以用于支持对设备相对于无线发射器的进行定位的系统。存储器904除了存储可执行的指令，还可以存储设备配置、设备位置，以及其他数据。数据存储器908可以包括可执行的指令，设备配置，设备标识等等。例如，输入接口910可以用于从外部的计算设备接收用户输入的指令，等等。
Claims (14)
1.一种系统，包括：
天线(100)，其中所述天线包括：
驱动贴片(106)，配置为响应接收激励电流在侧边方向发出辐射，所述驱动贴片具有相互近似平行的第一辐射边和第二辐射边；
反射器元件(112)，配置为将所述第一辐射边发出的辐射反射至准端射方向；以及
两个导向器元件，配置为将所述驱动贴片的所述第二辐射边发出的辐射导向至准端射方向。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动贴片为边射辐射器。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述反射器元件和所述两个导向元件用作在准端射方向传输辐射。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动贴片配置为沿第一轴线最大地发出辐射，且所述反射器元件配置为沿第二轴线反射辐射，所述第二轴线近似垂直于所述第一轴线。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述两个导向器元件配置为沿所述第二轴线导向辐射。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统被包括于无线路由器中。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述无线路由器配置为包括多个与所述天线基本类似的天线。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述多个天线配置为十字结构。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括：
接收器部件，接收来自邻近所述无线路由器的设备的位置指示；以及
控制部件，至少部分基于接收到的所述位置指示来选择性地向所述多个天线的子集提供激励电流。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动贴片、所述反射器元件和所述两个导向器元件近似地轴对称放置。
12.一种方法，包括：
a)将驱动贴片配置为响应激励电流发出辐射，所述驱动贴片具有第一辐射边和第二辐射边，所述驱动贴片配置为在侧边方向发出辐射；
b)将反射器元件放置于邻近所述驱动贴片的所述第一辐射边以反射所述驱动贴片发出的辐射的一部分；以及
c)将两个导向器元件放置于邻近所述驱动贴片的所述第二辐射边以将所述驱动贴片发出的辐射的一部分导向至准端射方向。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
d)重复所述动作a)，b)和c)四次以创建天线结构，所述天线结构包括四个不同的天线，所述四个天线中的每一个包括驱动贴片、反射器元件，和两个导向器元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括以十字结构配置所述四个不同的天线，其中所述四个反射器元件靠近所述十字结构的中心。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将无线路由器配置为包括所述四个不同的呈十字结构的天线。
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