CN103606755A

CN103606755A - 多信道多扇区智能天线系统

Info

Publication number: CN103606755A
Application number: CN201310335619.3A
Authority: CN
Inventors: 郑博信; 王义兵; 沈骏; 赵辉
Original assignee: Kang Kai Technology (hangzhou) Co Ltd
Current assignee: Kangkai Technology Hangzhou Co ltd
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: CN103606755B; US9537204B2; US20140320377A1

Abstract

本发明公开了一种智能天线系统。所述天线系统包括：至少第一集成天线单元，和与第一集成天线单元配置成预定角度的第二集成天线单元，其中第一集成天线单元和第二集成天线都包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元和第二天线单元都是天线阵列，其中第一天线单元中的天线与第二天线单元的天线交错排布。根据装配有所述天线系统的设备与另一个设备的通讯电波信号（例如一个移动终端与Wi-Fi路由器之间的通信），有选择的激励每个天线阵列中的天线或者集成天线单元中的天线单元，以形成希望的天线方向图，其中所述希望的天线方向图为优化的天线方向图，以便在两个设备间形成无缝或满足服务质量QoS的通信。

Description

多信道多扇区智能天线系统

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是涉及集成天线阵列，通过电子控制所述集成天线阵列可以形成一个所需的无零点天线方向图(antenna pattern)。

背景技术

天线系统是通信系统组成中必不可少的。在现有的无线通信中，单天线分别用于发射源和接收端，这种系统叫做单发单收（single input single output，SISO）。这样的系统容易发生多径效应从而产生问题。当电磁波遇到丘陵、峡谷、建筑、电线电缆等障碍物时，会发生反射、绕射、散射等问题，因此电磁波会以多个路径到达目的地。散射信号的延迟会导致信号衰落、边缘掉话（悬崖效应）以及间歇性接收（如同尖桩篱栅的形态）。在数字通信系统中，例如互联网，这会导致数据传输速率下降，而且会增加系统误码率。

智能天线的使用可以减少或消除多径传输带来的烦恼。智能天线是数字无线通信天线系统，其采用了在所述发射源（发射器）和所述接收端（接收器）的分集效应的优点。分集效应引入多无线电波的传输和/或接收以提高数据传输速度，并减少系统误码率。智能天线也可以被称为自适应天线阵、多天线、多收多发（Multiple input/Multiple output，简称MIMO），它利用智能信号处理算法来识别空间信号的波达方向，并利用该波达方向计算出天线波束的矢量，利用控制单元控制所述天线波束可以追踪和定位一个移动目标。

当前使用的大多数智能天线在其天线方向图中都有令人难以接受的方向图零点。在无线电学中，所述方向图零点是天线辐射方向图中的一个区域或矢量，在这个区域或矢量上信号几乎完全相互抵消了。如果没有很精确的布局，所述方向图零点会阻碍信号接收或者使该区域无法发送信号。因此，急需一种既可以灵活控制天线方向图又没有方向图零点的天线系统。

发明内容

本章节总结了现有公开的一些方面，并简单的介绍一些优选实施例。本章节的简化或者省略和在摘要或者标题中的说明一样可能会避开隐藏本章节、摘要和标题的目的。这些简化或者省略并非想要限定现有公开的范围。

本发明涉及到一种可以形成所需无零点天线方向图的天线阵列的电气与结构设计。根据本发明的一个方面，至少不同极化的两个天线单元被交错排列，以形成一个集成天线单元。每一个天线单元是一个天线阵列。根据本发明的另一个方面，两个天线阵列的结构相同，它们的天线交错排布以形式一个集成的天线单元。根据本发明的再一方面，天线系统至少包括两个这样的集成天线单元，他们之间形成有预定夹角，以形成所需的无零点天线方向图。根据本发明的再一方面，根据装配有所述天线系统的设备与另一个设备的通讯电波信号（例如一个移动终端与Wi-Fi路由器之间的通信），有选择的激励每个天线阵列中的天线或者集成天线单元中的天线单元，以形成希望的天线方向图，其中所述希望的天线方向图为优化的天线方向图，以便两个设备间形成无缝或满足服务质量QoS的通信。

根据不同的实施方式，本发明可以被用于一种方法、一种装置或一个系统的一部分。根据一个具体实施例，本发明是一种天线系统，所述天线系统包括：基板、由至少第一天线单元和第二天线单元集合而成的连接于所述基板上的集成天线单元，第一天线单元和第二天线单元都是天线阵列，其中第一天线单元中的天线与第二天线单元的天线交错排布。在一个实施例中，第一天线单元与第二天线单元正交排布以重新生成天线方向图。该天线系统还包括至少一个与所述集成天线单元类似的另一个集成天线单元，其中所述集成天线单元和所述另一集成天线单元安装于金属基板上，并具有固定夹角。

根据另一个具体实施例，本发明是一种天线系统，至少第一集成天线单元和与第一集成天线单元配置成预定角度的第二集成天线单元，其中第一集成天线单元和第二集成天线都包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元和第二天线单元都是天线阵列，其中第一天线单元中的天线与第二天线单元的天线交错排布。

与现有技术相比，本发明的特点与优点在于：提供了一种体积小、工作频带宽、天线方向图性能强并且成本更低更容易制造的智能天线。

本发明还有一些特点和优点将在下面的附图以及实例的实施方式中阐述。

附图说明

本发明的特点与优点通过下面的附图说明可以更好的理解

图1为服务于一个方位跨度的扇区（one sector of an azimuthal span）的天线单元的正视图；

图2示出了另一组水平极化天线元件插入垂直极化天线元件之间的空隙以形成集成天线单元；

图3示出了垂直极化天线单元和水平极化天线单元的主波束方向与基板（例如金属板）形成Y度夹角；

图4示出了成一定角度排布的两个集成天线单元；

图5示出了当图1中的天线单元或是图2中的天线单元全部激励时覆盖了60度范围的扇区的方位天线辐射方向图；

图6示出了当图4中另一集成天线单元被全部激励时覆盖了60度范围的扇区的方位天线辐射方向图；

图7示出了当图4中的两个集成天线单元被全部激励时覆盖了120度范围的扇区且无零点的方位天线辐射方向图；和

图8示出了本发明的一个实施例的天线系统框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来呈现，其直接或间接地模拟本发明中的技术方案的运作。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。

运营商一直在寻找一种能够提供高增益并且体积小的天线系统。另外，希望部署一套天线系统，其能够提供覆盖方位角的已知跨度的最佳无线射频功率。本发明的一个实施例提供了一个高增益天线系统，它能独立覆盖K个不同扇区，每个扇区被定义为360/K度的方位跨度，这里的K是一个正整数。另外，通过将多信道天线物理的放置的彼此相邻，其中每个天线服务于一个不同的扇区，本实施例中的天线系统能够同时为多个相邻扇区提供服务。天线的物理排列是紧凑而特殊的，它提供了一个覆盖性能尽可能最佳的方式，并且覆盖范围内没有零点。

根据一个实施例，该天线系统最初是设计用于2×2多输入/多输出（Multipleinput/Multiple output，简称MIMO）的Wi-Fi网络架构，同样的设计也适用于3×3MIMO。熟悉本领域的技术人员应当了解，这个设计同样可以应用于N×M的MIMO硬件架构。本发明的特点与优点包括：1）一个天线单元服务于覆盖特定角度扇区的信道，这个天线单元可以是任何类型的天线；2）水平极化天线单元和垂直极化天线单元以独特的结构形成集成天线单元，从而减小了天线整体的物理尺寸；3）天线系统可能含有多个这样的集成天线单元以形成设计的天线方向图，这些集成的天线单元以特定的排布方式使得天线可以灵活覆盖K个相互独立的扇区或同时覆盖多个扇区；4）服务于不同扇区的各个集成天线单元紧凑排列，这使得该天线系统可以放置于同一个罩体内。

参照附图说明，其中的数字标号会在多个图中出现多次。在一个实施例中，图1为服务于一个方位跨度的扇区（即该扇区具有一定方位跨度，比如60度）的天线单元的正视图，比如信道1。所述天线单元100包括在同一块板上平行排布的四个独立的天线（或称天线元件）102（即102-1、102-2、102-3、102-4）。根据不同的情况和特定的需求，可以增加或减少独立天线的数量。为了方便的描述本发明，本实施例中，以四个独立的天线为例。根据所提供的描述，熟悉本领域的技术人员应当理解如何修改独立天线的数量。

如图1所示，四个垂直极化天线或天线元件102纵向排列，彼此间距为a，它们形成了一个天线单元100来覆盖一个方位跨度的扇区。每个天线元件的高度为b。在一个实施例中，a稍大于b，因此每个单元间都有一个小间隙，间隙宽度为a-b。服务于同一扇区的第二信道的水平极化天线单元安装在所述间隙中。在一个实施例中，a大约3英寸，b约2.5英寸。

所述天线元件102可以是任何形式的平面天线（例如八木天线）。在一个实施例中，每个天线元件102由附着在PCB板上的金属带构成，其中平行的金属带的长度与宽度取决于所需覆盖的方位或者期望的天线辐射方向图，没有必要一样。在另一个实施例中，所述天线元件102都形成于一块单独的PCB板上，其中PCB板可以包括一组或多组天线组以满足特定天线辐射方向图的需求。下面将进一步讨论控制一个或多个天线元件102或一个或多个天线组根据应用形成所需要的特定的天线方向图。

图2示出了另一组水平极化天线元件104（即104-1、104-2、104-3、104-4）插入所述垂直极化天线元件102的空隙，以形成集成天线单元106。图3所示为安装在基板上的一个集成天线单元302，其垂直极化天线单元与水平极化天线单元的主波束方向均相对于基板（例如金属板）形成Y度的夹角。这个基板用来支撑所述集成天线单元，其也可以作为天线系统的一部分。

可以使用相同的集成天线单元来覆盖其他方位跨度的扇区。图4示出了如图3中所述集成天线单元302的两套集成天线单元402和404，来覆盖相邻的另一个扇区，它们与基板的相对夹角也是Y度。熟悉本领域的技术人员应当了解，根据本发明的天线系统，可以使用两个以上的集成天线单元来形成所需要的天线方向图。综上所述，可以使用一个或多个图4中的天线单元或/和一个或多个集成天线单元来根据应用形成独特的天线辐射方向图。

图5示出了图1中的天线单元100或是图2中的天线单元106全部激励时覆盖一个60度扇区的方位辐射方向图。图4中显示了两套集成天线402与404。图6所示为在第二个集成天线内的类似于天线单元100或106的天线结构被全部激励时覆盖相应的60度扇区的方位辐射方向图。图7所示为当两套垂直极化或水平极化天线单元（即100和106）同时被激励时相应的覆盖120度扇区的方位辐射方向图，无零点(例如同时激励所有水平极化天线单元或者同时激励所有垂直极化天线单元）。

图8所示为根据本发明的一个实施例来描述的一个天线系统800的系统框图。如图所示，所述天线系统800包括多个集成天线单元802(分别记为802-1，802-2，802-N)，而每个集成天线单元802包括两个天线单元804和806，其中一个是水平极化天线，另一个是垂直极化天线。每个天线单元804和806包括一个天线阵列808，其包括多个天线（(分别记为808-1，808-2，808-M)）。所述天线单元804和806正交集成，他们的天线如同图2中描述的那样互相交错排布。

在运行时，所述天线系统800由射频模块810供电。在发射模式中，射频模块810提供传输信号给所述天线系统800。在接收模式下，所述射频模块810被设置为从所述天线系统800中接收信号。为了更好的接收，所述射频模块810被配置来通过有选择的驱动一个或多个天线阵列808，一个或多个天线单元804、806，或一个或多个集成天线单元802来动态的改变天线方向图。

在一个应用的实例中，一个接入点（如Wi-Fi设备）配置了天线系统100，并被移动设备访问。当所有的天线均被激励时，天线单元812默认的方向图则不再适用。理想情况下，该天线系统的天线方向图应该指向所述移动设备。基于两个通信设备间的无线数据交换，所述射频模块810能计算并选择性的激励所述天线系统800中的一个或多个天线单元，使得所述默认的天线方向图812变形为新形成的天线方向图814。

虽然结合具体的实施例对本发明进行详细的描述，然而上述描述只是本发明的示例而已，而不能被解释为对本发明的限制。本领域技术人员可以理解的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的范围定义为其保护范围而不是以上实施例的说明。

Claims

1.一种天线系统，其特征在于，其包括：

基板；

由至少第一天线单元和第二天线单元集合而成的连接于所述基板上的集成天线单元，第一天线单元和第二天线单元都是天线阵列，其中第一天线单元中的天线与第二天线单元的天线交错排布。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：第一天线单元与第二天线单元正交排布。

3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于：第一天线单元中的天线是水平极化的，而第二天线单元中的天线是垂直极化的。

4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：第一天线单元与第二天线单元中的天线是间隔排布的以容纳下彼此。

5.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于：第一天线单元与第二天线单元中的天线的间距相同，并提供交错排布第一天线单元与第二天线单元中的天线的空间。

6.如权利要求5所述的天线系统，其特征在于：第一天线单元与第二天线单元中的每个天线具有可变长和宽的相互平行的若干金属带。

7.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：其还包括：

与所述集成天线单元基本类似的至少另一个集成天线单元，其中所述集成天线单元和所述另一个集成天线单元以固定的夹角安装在同一个基板上。

8.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：第一天线单元与第二天线单元用来服务于同一扇区的不同信道。

9.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：第一天线单元与第二天线单元都有自己的天线方向图，以交错排布方式集成有第一天线单元和第二天线单元的所述天线系统形成了一个其天线方向图无零点的独特天线。

10.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：有选择的激励第一天线单元与第二天线单元中的天线以形成所需的天线方向图。

11.如权利要求9所述的天线系统，其特征在于：根据配备所述天线系统的装置与另一个装置的通讯测得的信号确定所需的天线方向图。

12.一种天线系统包括：

至少第一集成天线单元；和

与第一集成天线单元配置成预定角度的第二集成天线单元，其中第一集成天线单元和第二集成天线都包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元和第二天线单元都是天线阵列，其中第一天线单元中的天线与第二天线单元的天线交错排布。

13.如权利要求12所述的天线系统，其特征在于：其还包括：

控制单元，其用来有选择的激励第一天线单元与第二天线单元中的天线以动态的形成所需的天线方向图。

14.如权利要求13所述的天线系统，其特征在于：根据配备所述天线系统的装置与另一个装置的通讯测得的信号确定所需的天线方向图。

15.如权利要求14所述的天线系统，其特征在于：配备所述天线系统的装置是一个Wi-Fi路由器，而另一个装置是移动设备。