CN103682610A - 可重构天线及其系统 - Google Patents

Abstract

一种可重构天线，设置于基板的一个表面，包括多个辐射体以及控制电路，该多个辐射体包括中心辐射体和多个以所述中心辐射体为中心呈规则几何形状排布的多个外辐射体，所述控制电路设置于该多个辐射体之间，所述控制电路控制所述多个辐射体重构增益。通过控制电路控制辐射体将的电磁辐射场改变，实现频率重组与增益重组，可通过控制信号控制天线减少其频段、增加某个频段的增益，廉价易制作；具有十分明显的技术和成本优势，当铺捉到微弱信号时可重构增益增强接收能力。

Description

可重构天线及其系统

技术领域

本发明属于通讯领域，尤其涉及一种可重构天线及其系统。

背景技术

天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件，在无线通信系统中起到了举足轻重的作用，是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着高频卫星通信系统、雷达、无线通信系统，尤其是全球3G和4G网络建设的飞速发展，对天线的要求也越来越高。一方面，需要使天线能够工作在多个频带，具有多种工作模式并具有良好的传输性能。另一方面，又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。正是由于这样的需求，可重构天线的概念被提出并得到蓬勃发展。可重构天线作为一种新型天线即将成为下一代无线通信系统中的核心技术之一。特别是近些年来，可重构天线在MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出技术）系统中作为发射天线或接收天线所具有的潜在应用价值得到了国内外越来越多的重视。

可重构天线按功能可分为频率可重构天线（包括实现宽频带和实现多频带）、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。

近几年，国内外对可重构天线的研究已获得一些研究成果，其具体实现方法按电路特点可分为两大类：一类是通过改天线单元的结构来使天线频率、方向图或极化方式等参数发生改变；另一类是通过改变天线外部的馈电网络使天线具有可重构的特性。目前的可重构天线主要工作在于优化天线机构和馈电网络，从而获得频率、方向图和极化等重构特性，而对于增益重构这一重要参数考虑较少。

发明内容

基于此，有必要提供一种可重构频率和增益的可重构天线，该天线呈现单双频，达到重构增益的效果。

一种可重构天线，设置于基板的一个表面，包括多个辐射体以及控制电路，该多个辐射体包括中心辐射体和多个以所述中心辐射体为中心呈规则几何形状排布的多个外辐射体，所述控制电路设置于该多个辐射体之间，所述控制电路控制所述多个辐射体重构辐射频率和增益。

另外，还提供了一种可重构天线系统，包括上述的可重构天线。

上述可重构天线通过控制电路控制辐射体将的电磁辐射场改变，实现频率重组与增益重组，可通过简单操作控制天线减少其频段、增加某个频段的增益，廉价易制作；具有十分明显的技术和成本优势，当铺捉到微弱信号时可重构增益增强接收能力。

附图说明

图1是第一实施例中的可重构天线的结构示意图；

图2是第二实施例中的可重构天线的结构示意图；

图3是第三实施例中的可重构天线的结构示意图；

图4是可重构天线的电路结构原理图；

图5是电平输入模块的电路原理图；

图6是可重构天线一种响应状态的2D方向图；

图7是可重构天线另一种响应状态的2D方向图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种可重构天线，设置于基板10的一个表面，该可重构天线包括多个辐射体以及控制电路（未示出），该多个辐射体包括中心辐射体201和多个以中心辐射体201为中心呈规则几何形状排布的多个外辐射体（211、212、213、214、215、216、217、218），控制电路设置于该多个辐射体之间，控制电路控制多个辐射体重构辐射频率和增益。

该天线的辐射体分为高频部分和低频部分，高频部分为中心辐射体201产生，低频部分由呈规则几何形状排布的多个外辐射体产生。基板10在辐射单元（即多个辐射体）与地之间。

在优选的实施例中，多个外辐射体呈矩形（参考图1、3）、圆形（参考图2）、菱形或正多边形排布；进一步地，中心辐射体201和外辐射体为矩形（参考图1、3）、扇形或圆形（参考图2）；还可以为正多边形等。

在其中一个实施例中，参考图1，外辐射体为8个，8个外辐射体与中心辐射体201呈矩阵排列，其中：第一列分别为：第一外辐射体211、第二外辐射体212、第三外辐射体213；第二列分别为：第四外辐射体214、中心辐射体201、第五外辐射体215；第三列分别为：第六外辐射体216、第七外辐射体217、第八外辐射体218。在其它实施例中，如图3所示，外辐射体为4个。

而实际上，图2、3的实施例是图1的实施例的变形，图2中，外辐射体设置成呈扇形的4个，如图示的220、230、240、250；图3中，第一列中的第一外辐射体211、第二外辐射体212、第三外辐射体213一体设计成外辐射体220；第三列中的第六外辐射体216、第七外辐射体217、第八外辐射体218合并成外辐射体230。另外，在其他实施例中，在上述图1至3的实施例的基础上，向外均匀地往外增加一层或多层外辐射体。

参考图4、5，控制电路包括多个分别连接在多个辐射体之间的射频开关和电平输入模块500，电平输入模块500控制射频开关的导通和关断以使多个辐射体间的电磁辐射场改变。本实施例中，射频开关采用普通的贴片二极管300（参考图1至3）；通过辐射单元之间的特殊（预设）间距设置下，控制二极管导通与否，使天线呈现单频或双频，天线的辐射功率分配也随之出现明显变化，两个频段天线的各自增益得到大幅改变。从而起到重构增益的效果，当铺捉到微弱信号时可重构增益增强接收能力。在其它实施例中，射频开关可以采用三极管或MOS管替换，利用电平输入模块500的高低电平控制三极管或MOS管通断，而改变每个辐射体的电势，从而改变两个频段天线的频率和增益。

在其中一个实施例中，结合图1、4，控制电路中的多个二极管包括：第一至第十二二极管，共12个，其中如图4所示：第一二极管D1的阳极与第一外辐射体211连接、第一二极管D1的阴极与第二外辐射体212连接；第二二极管D2的阳极与第三外辐射体213连接、第二二极管D2的阴极与第二外辐射体212连接；第三二极管D3的阳极与第一外辐射体211连接、第三二极管D3的阴极与第四外辐射体214连接；第四二极管D4的阳极与中心辐射体201连接、第四二极管D4的阴极与第二外辐射体212连接；第五二极管D5的阳极与第三外辐射体213连接第五二极管D5的阴极与第五外辐射体215连接；第六二极管D6的阳极与中心辐射体201连接、第六二极管D6的阴极与第四外辐射体214连接；第七二极管D7的阳极与中心辐射体201连接、第七二极管D7的阴极与第五外辐射体215连接；第八二极管D8的阳极与第六外辐射体216连接、第八二极管D8的阴极与第四外辐射体214连接；第九二极管D9的阳极与中心辐射体201连接、第九二极管D9的阴极与第七外辐射体217连接；第十二极管D10的阳极与第八外辐射体218连接、第十二极管D10的阴极与第五外辐射体215连接；第十一二极管11的阳极与第六外辐射体216连接、第十一二极管11的阴极与第七外辐射体217连接；第十二二极管D12的阳极与第八外辐射体218连接、第十二二极管D12的阴极与第七外辐射体217连接。

本实施例中，相邻辐射体的电势差由电平输入模块500的脉冲电平控制。电平输入模块500无输入时，通过二极管的特殊作用，天线频段为1.575G和2.45G。在电平输入模块500有输入时，相邻辐射体间形成电势差，使上述二极管处于导通状态，起到高频导通作用（此时各个辐射体的直流电势并不完全相同，各个辐射体的电势如图4中的脉冲电平符号400所示），此时电磁波集中到中心辐射体201，辐射主要集中在高频的中心辐射体201，天线频段以2.45G为主。从而达到频率重组与增益重组的目的，即将一个频段增益削弱来增强另一个频段的增益

在其中一个实施例中，结合图4和5，电平输入模块500的高电平输出端VCC_H与第一二极管D1、第四二极管D4、第五二极管D5、第八二极管D8、第十二极管D10的阳极连接，电平输入模块500的低电平输出端VCC_L与第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5、第九二极管D9的阴极连接。

在其中一个实施例中，参考图5，电平输入模块500包括第一电阻R1、第二电阻R2、开关管Q1、第一电感L1、第二电感L2、第三电阻R3、第三电感L3和第四电阻R4。

第一电阻R1和第二电阻R2串联后的一端与电源VCC连接，第一电阻R1和第二电阻R2串联后的另一端与开关管Q1的输入端连接；开关管Q1的输出端经第一电感L1接地，开关管Q1的控制端经一开关J1选择接地或与电源VCC连接；第一电阻R1和第二电阻R2串联的节点经第三电阻R3与第二电感L2的第一端连接，第二电感L2的第二端作为高电平输出端VCC_H；开关管Q1的输入端经第四电阻R4与第三电感L3的第一端连接，第三电感L3的第二端作为低电平输出端VCC_L。

优选地，开关管Q1为P沟道MOS管，开关管Q1的输入端、输出端、控制端分别为源极、漏极、栅极。

如图6、7所示，两频段天线均为右旋圆极化、方向图为上半球形状。参考图6，开关J1断开时（也可以为无源状态），天线辐射主要表现在1.575GHz频段和2.45GHz频段，两频段的增益相当，3dB波瓣角72°，2D方向图近似半球形。参考图7，开关J1闭合时，辐射主要表现在高频2.45GHz频段，增益增强3dB，1.575GHz频段的增益几乎不存在；2.45G频段的增益与图6比较增大了近4dB，而1.575G频段的增益减小了近20dB，可见辐射功率主要集中在2.45GHz频段，现对而言，1.575GHz频段几乎无辐射。从而可认为，可重构天线呈现单频或双频，并达到重构增益的效果，特别对铺捉到微弱信号时可重构增益加强接收。可重构天线的馈点位于中心辐射体201，即频率最高的频段辐射面，馈电点通过50欧姆同轴线输出，馈电点和馈线各个频段共用输出。

基板10的介质材质为FR4，介电常数为4.2-4.6的PCB板材，辐射体的铜箔厚度不做特殊要求，本文采用1.0oz。

此外，还提供了一种可重构天线系统，其包括上述可重构天线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可重构天线，设置于基板的一个表面，其特征在于，包括多个辐射体以及控制电路，该多个辐射体包括中心辐射体和多个以所述中心辐射体为中心呈规则几何形状排布的多个外辐射体，所述控制电路设置于该多个辐射体之间，所述控制电路控制所述多个辐射体重构辐射频率和增益。 

2.如权利要求1所述的可重构天线，其特征在于，所述多个外辐射体呈矩形、圆形或菱形排布。 

3.如权利要求1或2所述的可重构天线，其特征在于，所述控制电路包括多个分别连接在所述多个辐射体之间的射频开关和电平输入模块，所述电平输入模块控制所述射频开关的导通和关断以使所述多个辐射体间的电磁辐射场改变。 

4.如权利要求3所述的可重构天线，其特征在于，所述外辐射体为8个，与所述中心辐射体呈矩阵排列，其中： 

第一列分别为：第一外辐射体、第二外辐射体、第三外辐射体； 

第二列分别为：第四外辐射体、中心辐射体、第五外辐射体； 

第三列分别为：第六外辐射体、第七外辐射体、第八外辐射体。 

5.如权利要求4所述的可重构天线，其特征在于，所述射频开关为贴片二极管，包括： 

第一二极管，阳极与所述第一外辐射体连接、阴极与所述第二外辐射体连接； 

第二二极管，阳极与所述第三外辐射体连接、阴极与所述第二外辐射体连接； 

第三二极管，阳极与所述第一外辐射体连接、阴极与所述第四外辐射体连接； 

第四二极管，阳极与所述中心辐射体连接、阴极与所述第二外辐射体连接； 

第五二极管，阳极与所述第三外辐射体连接、阴极与所述第五外辐射体连 接； 

第六二极管，阳极与所述中心辐射体连接、阴极与所述第四外辐射体连接； 

第七二极管，阳极与所述中心辐射体连接、阴极与所述第五外辐射体连接； 

第八二极管，阳极与所述第六外辐射体连接、阴极与所述第四外辐射体连接； 

第九二极管，阳极与所述中心辐射体连接、阴极与所述第七外辐射体连接； 

第十二极管，阳极与所述第八外辐射体连接、阴极与所述第五外辐射体连接； 

第十一二极管，阳极与所述第六外辐射体连接、阴极与所述第七外辐射体连接； 

第十二二极管，阳极与所述第八外辐射体连接、阴极与所述第七外辐射体连接。 

6.如权利要求5所述的可重构天线，其特征在于，所述电平输入模块的高电平输出端与所述第一二极管、第四二极管、第五二极管、第八二极管、第十二极管的阳极连接，所述电平输入模块的低电平输出端与所述第一二极管、第三二极管、第五二极管、第九二极管的阴极连接。 

7.如权利要求6所述的可重构天线，其特征在于，所述电平输入模块包括第一电阻、第二电阻、开关管、第一电感、第二电感、第三电阻、第三电感和第四电阻，其中， 

所述第一电阻和第二电阻串联后的一端与电源连接、另一端与开关管的输入端连接；所述开关管的输出端经所述第一电感接地，所述开关管的控制端经一开关选择接地或与电源连接； 

所述第一电阻和第二电阻串联的节点经所述第三电阻与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端作为所述高电平输出端； 

所述开关管的输入端经所述第四电阻与所述第三电感的第一端连接，所述第三电感的第二端作为所述低电平输出端。 

8.如权利要求7所述的可重构天线，其特征在于，所述开关管为P沟道MOS管，所述开关管的输入端、输出端、控制端分别为源极、漏极、栅极。 

9.如权利要求1至8任一项所述的可重构天线，其特征在于，所述中心辐射体和外辐射体为矩形、扇形或圆形。 

10.一种可重构天线系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的可重构天线。 

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