CN103229353A - 用于无线通信的智能天线 - Google Patents

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Abstract

一种智能天线，包括多个寄生天线元件，所述多个寄生天线元件具有：变容二极管；电压源，被配置为耦合至变容二极管并提供DC电压；以及控制单元，用于调谐施加于变容二极管的DC电压，其中，每个寄生天线元件能够基于施加于该寄生天线元件的电压被重新配置为反射器或导向器。所述受驱元件被寄生元件半径分别大致为25和50mm的第一和第二环境阵列包围，每个环形阵列包括6个天线元件。所述阵列能够被配置用于引导波束。所述配置是紧致且高效的。

Description

用于无线通信的智能天线
技术领域
本发明涉及天线，在优选实施例中，涉及用于无线通信的紧致低成本智能天线。
背景技术
智能天线可以向期望用户引导其主要波束，同时在干扰信号的方向上形成零值。其是未来陆地无线通信、卫星通信和雷达的关键技术之一。其可以通过提高频谱效率同时降低发射功率显著提高无线通信网络的容量。
随着智能天线增益的提高，其能够降低数字链路上的信噪比(SNR)，从而减少通信链路的误比特率(BER)。这允许现代接收机以更高的数据速率操作。
传统的智能天线由许多天线元件的阵列组成，每个元件需要其自身的接收和发射RF前端，该RF前端包括RF滤波器、低噪声放大器、混频器、以及RF功率放大器。每个元件还需要其自身的模拟至数字(A/D)和数字至模拟(D/A)转换器。这些使智能天线极为昂贵和笨拙，妨碍了其在商用无线通信网络中的广泛应用。
电子可引导无源阵列辐射器(ESPAR)天线是用于构造低成本智能天线系统的有前景的结构，其采用单个RF前端。可以通过使用例如低成本的变容二极管天线调谐每个元件的无功负载，来实现ESPAR天线的相移性能。典型的ESPAR结构由一个固定的受驱元件和围绕受驱元件的多个可调谐寄生元件组成。得到最广泛研究的ESPAR天线包括7个垂直安装并在水平面上扫描的1/4波长单极。一个1/4波长单极置于阵列中心，其他六个1/4波长单极被置于这一个1/4波长单极周围，等间隔地位于1/2波长直径圆上。所报导的ESPAR天线已报导了2至4dBi区域内的增益。然而，这些天线增益较小，并且通常过小以致无法以期望的高数据速率工作。
H.Scott和V.F.Fusco在“360°Electronically controlled beamscan array”，IEEE transactions on antennas and propagation，Vol.52，No.1，Jan.2004中介绍了具有高增益的电子波束扫描天线。这在整个360°方位角扫描范围上具有12dBi的增益。其包括：以两个同心环在水平面上布置的25个线元件的圆形阵列。每个寄生元件以两状态的无功元件为负载，允许它们被配置为反射器阵列。
发明内容
本发明寻求提供改进的智能天线以及优选地改进的低成本智能天线。
根据本发明的一个方面，提供了一种智能天线，包括多个寄生天线元件，所述多个寄生天线元件具有：配置器件；电压源，被配置为耦合至配置器件并提供DC电压；以及控制单元，用于调谐施加于配置器件的DC电压，其中，每个寄生天线元件能够基于施加于该寄生天线元件的电压被重新配置为反射器或导向器。
所述配置器件可以是多个电子组件中的任一个。在优选实施例中，每个配置器件包括变容二极管或pin二极管。
有利地，智能天线采用可重配置的方向性天线作为受驱元件。这产生波束可以被引导的受驱元件，在优选实施例中，波束可沿90°和270°、30°和210°、以及150°和330°的方向引导。
优选实施例提供了具有较小尺寸和低成本的电子波束转换或波束扫描智能天线，能够实现超过10dBi的增益。下面描述了这样的小智能天线的优选结构。将理解的是：术语波束转换和波束扫描通常描述相同的功能并且因此可以互换使用。
优选实施例提供了紧致低成本的电子波束转换或波束扫描智能天线，覆盖从2.45GHz到2.55GHz的频带。受驱元件是包括3个倒置F型天线(IFA)元件的方向性天线。除了受驱元件，在优选实施例中，还有12个IFA寄生元件，配置在受驱元件周围，并以配置器件(通常是变容二极管或pin二极管)为负载。通过调谐施加于配置器件的DC电压，每个寄生IFA天线元件可以被重新配置为反射器或导向器。这提供了对波束的转换或扫描机制。优选地，天线的半径为50mm，高度为40mm。与其他波束转换智能天线相比，该天线尺寸更小，成本更低，增益更高。
有利地，受驱元件被至少一个寄生元件环形阵列包围。这提高了智能天线的增益，从而使得与现有技术设备相比尺寸减小。在优选实施例中，受驱元件被至少第一和第二寄生元件环形阵列包围。理论上，对寄生元件环形阵列数目没有限制，理论上，环形阵列数目越多，天线增益越大，但成本和天线体积越大。已经发现：两个寄生元件环形阵列提供性能、成本和大小之间的良好折中。
优选地，每个环形阵列圆周对称。在每个阵列中，可以存在6个、12个或3的其他偶数倍个天线元件。
附图说明
以下参照附图，仅以示例方式，描述本发明的实施例，附图中：
图1以示意图形式示出了用于形成受驱元件的优选实施例的IFA结构；
图2示出了由3个IFA辐射元件组成的可重配置受驱元件的示例；
图3示出了由3个IFA辐射元件组成的ESPAR天线的示例的平面图；
图4示出了位于内圆的寄生元件的结构；
图5示出了位于外圆的寄生元件的结构；
图6是高增益ESPAR天线的优选实施例的3D模型；
图7是图6的高增益ESPAR天线的平面图；
图8示出了图6和7的高增益ESPAR天线的主要辐射方向图；以及
图9示出了图6和7的高增益ESPAR天线的辅助辐射方向图。
具体实施方式
一般地，在传统ESPAR天线中，中央受驱元件1是全向天线，其均匀地激励所有寄生元件2和3。为了增加天线增益，智能天线优选地采用可重配置方向性天线作为受驱元件1。这产生了波束可沿90°和270°、30°和210°、以及150°和330°的方向引导的受驱元件。
优选天线采用两圈寄生元件2和3，如特别在图7的平面图中示出的那样。双圆结构的目的是进一步增加天线增益。根据需要，每个寄生元件2和3可以被重新配置为反射器或导向器。
A.辐射元件
1)IFA天线结构
倒置F型天线(IFA)的优选实施例通常包括三个元件：位于接地平面上的矩形线天线、馈电机构、以及连接至地的短路管脚。由于能够通过仔细调谐短路管脚的位置来简单地匹配IFA天线的输入阻抗，IFA天线是电尺寸小的天线的良好选择。
图1示出了优选地用于受驱元件的IFA结构，其电气尺寸较小且可重新配置。天线包括基板2，天线的元件支撑在该基板2上。与受驱元件3一样，IFA的铜辐射元件1部署在基板上。50欧姆(典型)同轴电缆实际连接至受驱元件3。对于寄生元件，这就是将焊接变容二极管的位置。
IFA接地平面4在基板的另一侧上延续，如图2所示。在接地平面4和隔直电容器5之间应用DC网络6。
受驱元件由PIN二极管7提供。在这样的配置中，电容器5用于寄生元件。IFA中的短路管脚经由PIN二极管7连接至地。
2)操作状态描述
作为受驱元件，图1的辐射元件可以被重新配置为两种操作模式：
-激励模式和仿真模式。这些模式如下操作：
模式 Pin转换 控制电压
激励模式 “开” 2V
仿真模式 “关” 0V
作为寄生元件，图4和图5的辐射元件可以被配置为两种操作模式：反射器模式和导向器模式。这些模式如下操作：
Figure BDA00003252253000051
可以理解：以上仅描述了一个实施例，其中，受驱元件具有pin二极管，寄生元件具有作为配置器件的变容二极管。其他实施例将使用不同的配置器件，可以是pin二极管、变容二极管或其他适当的器件。
B.受驱元件
1)受驱天线结构
通过如图1所示配置3个元件，可以绕一个50欧姆的RF柱构造受驱元件。图2和3示出了该结构。图3是平面图，并且示出了元件优选地在方位角上以120°等间隔布置。3个元件都焊接在位于中心的同轴电缆上。这样，3个受驱元件由相同的RF源激励。
通过将IFA辐射元件焊接在同轴电缆上，这3个IFA辐射元件彼此融合。所有IFA辐射元件可由相同的RF源激励。
2)受驱元件操作状态
每个受驱元件由其位于0°、120°和240°的角位置限定。波束的方向如下：
Figure BDA00003252253000052
Figure BDA00003252253000061
C.寄生元件
寄生元件可以被重新配置为导向器或反射器。通过改变变容二极管提供的电容，可以调谐寄生元件的反射相位。
图4给出了位于内圆的寄生元件的结构。IFA的铜辐射元件10部署在基板上。10nH的电感器焊接在位置13处，变容二极管焊接在12处。10μF的DC滤波电容器焊接在14处，并且100nH RF扼流电感器焊接在辐射元件11和焊盘15之间的16处。图5给出了位于外圆的寄生元件的结构。IFA的铜辐射元件20部署在该结构上。25nH电感器焊接在位置23处，并且变容二极管焊接在22处。10μF的DC滤波电容器焊接在24处，并且100nH RF扼流电感器焊接在辐射元件21和焊盘25之间的26处。
D.所提出的ESPAR天线的总体结构
图6示出了高增益ESPAR天线的优选实施例的3D模型。寄生元件2和3在两个同心圆中包围位于中心的可重配置的受驱元件1。内圆的直径大致为50mm，外圆的直径大致为100mm(半径分别为25和50mm)。每个环具有6个IFA天线。图6以顶视图示出了该布局。
图8示出了高增益ESPAR天线的主要辐射方向图。主要方向图的可选方向是0°和90°、30°和210°、以及150°和330°。对于主要辐射方向图，在每个圆处，一个寄生元件被配置为导向器。要指出的是：具有反向偏置控制电压的寄生元件被配置为导向器。所有其他寄生元件被配置为反射器。
图9给出了高增益ESPAR天线的优选实施例的辅助辐射方向图。主要方向图的可选方向是120°和300°、60°和240°、以及0°和180°。对于辅助辐射方向图，在每个圆处，存在两个被配置为导向器的寄生元件。所有其他寄生元件被配置为反射器。
自适应波束引导方法使ESPAR天线能够估计期望信号的方向，并形成朝向期望信号的主瓣。在优选实施例中采用的自适应算法是非盲算法，并且使用参考信号来执行自适应算法。
首先，算法从6个主要方向图中搜索最佳的互相关系数(CCC)值，并确定以下迭代的起点。在确定了起点后，算法沿CCC的最陡梯度进行迭代。通过控制施加在变容二极管两端的电压来实现波束成型。通过调谐变容二极管的无功负载，可以控制寄生元件上表面电流的相位。
以上描述了具有高增益的低成本小智能天线。通过电气地转换波束，天线可以覆盖整个360°的范围。仿真结果表明：由可重配置IFA天线元件组成的波束转换智能天线可以实现8.5至10.5dBi的增益。其可以实现比目前报导的大多数ESPAR天线高的增益。天线仅具有0.4λ的半径和0.3λ的高度。因此，天线可以具有紧致的大小和低成本，并且因此能够用于诸如无线路由器、移动通信基站、方向找寻等应用。
应理解的是：上述实施例仅仅是优选的，并且可以在不损失期望功能的前提下对上述实施例进行修改。例如，受驱元件不一定是由3个倒置F型天线(IFA)元件组成的方向性天线，可以使用不同数目的IFA元件。类似地，取代配置在受驱元件周围并以变容二极管为负载的12个IFA寄生元件，天线可以具有不同数目的IFA寄生元件。

Claims (22)

1.一种智能天线，包括多个寄生天线元件，所述多个寄生天线元件具有：配置器件；电压源，被配置为耦合至所述配置器件并提供DC电压；以及控制单元，用于调谐施加于所述配置器件的DC电压，其中，每个寄生天线元件能够基于施加于该寄生天线元件的电压被重新配置为反射器或导向器。
2.根据权利要求1所述的智能天线，其中，每个配置器件包括变容二极管或pin二极管。
3.根据权利要求1或2所述的智能天线，其中，所述受驱元件是可重配置的方向性天线。
4.根据权利要求3所述的智能天线，其中，所述受驱元件包括彼此径向隔开的三个天线元件。
5.根据权利要求4所述的智能天线，其中，所述天线元件彼此径向隔开120度。
6.根据权利要求4或5所述的智能天线，其中，所述天线元件耦合至公共的位于中心的同轴电缆。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的智能天线，其中，所述受驱元件是方向性天线，所述方向性天线包括第一、第二和第三倒置F型天线(IFA)元件。
8.根据权利要求7所述的智能天线，包括：12个IFA寄生元件，配置在受驱元件周围，并以变容二极管为负载。
9.根据权利要求8所述的智能天线，其中，能够调谐施加于变容二极管的DC电压以将每个寄生IFA天线元件重新配置为反射器或导向器。
10.根据权利要求9所述的智能天线，其中，所述调谐提供对天线波束的转换或扫描机制。
11.根据前述权利要求中任一项所述的智能天线，其中，所述受驱元件被寄生元件的至少一个环形阵列包围。
12.根据权利要求11所述的智能天线，其中，所述受驱元件被寄生元件的至少第一和第二环形阵列包围。
13.根据权利要求12所述的智能天线，其中，所述第一和第二寄生元件分别处于大致为25和50mm的半径上。
14.根据权利要求10或11所述的智能天线，其中，每个环形阵列是圆周对称的。
15.根据权利要求14所述的智能天线，其中，每个环形阵列包括6个、12个、或3的其他偶数倍个天线元件。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的智能天线，其中，为了产生主要辐射方向图，在每个环形阵列中将一个寄生元件配置为导向器。
17.根据权利要求16所述的智能天线，其中，所述导向器是由反向偏置控制电压驱动的所述寄生元件。
18.根据权利要求16或17所述的智能天线，其中，所有其他寄生元件被配置为反射器。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的智能天线，其中，对于辅助辐射方向图，在每个环形阵列中将两个寄生元件配置为导向器，所有其他寄生元件被配置为反射器。
20.根据前述权利要求中任一项所述的智能天线，其中，所述天线的半径大致为50mm，高度大致为40mm。
21.根据前述权利要求中任一项所述的智能天线，其中，所述受驱元件是可重配置天线，用于产生能够沿90°和270°、30°和210°、以及150°和330°的方向引导的波束。
22.根据前述权利要求中任一项所述的智能天线，其中，所述天线能够在从大致2.45GHz到大致2.55GHz的频带中工作。
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