CN104538738B - 应用于无线通信中的可切换天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子控制天线单元的阵列天线系统，通过控制每个天线单元对应反射体的状态来获得期望的辐射方向图，自适应无线环境，并且能给两个收发设备提供高效可靠的通信链路链接。本发明的另一个方面描述了一种用于连接两个反射体的开关(例如，二极管)，电子控制这种二极管开或者关，使得对应的两个反射体电子连接或者断开。

Description

应用于无线通信中的可切换天线
相关申请
本申请是一个共同美国申请号为13/872,078，名称为多通道多扇区智能天线系统、申请日为2013年4月27的部分连续申请。
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及到天线阵列结构方式与电子控制来形成所需的天线辐射方向图，自适应环境，并为两个收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。
背景技术
天线系统是通信系统组成中必不可少的。传统的无线通信，其单个天线分别用于发射源和接收端。这种系统叫做SISO(单发单收)。这样的系统容易引发多径效应的问题。当电磁场遇到丘陵、峡谷、建筑、电线电缆等障碍物时，电磁波会发生反射、绕射、散射等问题，因此电磁波会以多个路径到达目的地。延迟的散射信号会导致信号衰落、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。
使用智能天线可以减少或消除由反射、偏转、折射、散射等多径传输带来的烦恼。智能天线是一种数字无线通信天线系统，它的分集效果在源(发射机)、目的地(接收机)、或者源和目的地都有明显的优势。分集效应的优势在于多个射频(RF)信号同时发射和/或接收，来提高数据传输速度，降低错误率。智能天线也被称为自适应天线阵、多天线，近来也被叫做MIMO(多发多收)，它是一种利用智能信号处理算法来识别空间来波方向(DOA)及特征的阵列天线，并计算出天线波束的形成量，利用控制单元控制天线的波束可以追踪和定位一个移动的目标。
当前使用的大多数智能天线都有令人难以接受的方向图零点。在无线电中，方向图零点是指在其扇区内的某些方位，从不同发射体发出的信号几乎完全相互抵消了。如果没有很精确的布局，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
这段描述的目的在于总结本发明的一些架构，然后介绍一些优选的具体实施例，在这段描述与在摘要中的描述会有一些简化和省略，为的是避免混淆本段的描述与摘要的描述。这样的简化并不是在限制本发明的范围。
本发明涉及一种天线阵列结构，其通过天线单元电子控制以形成所需的天线辐射方向图，能够自适应环境，并为两个收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。根据本发明的一个方面，在这两个收发设备中，一个为WIFI接入点(AP)设备，另一个是客户端设备(例如，计算机或移动电话)。WIFI AP设备中组成天线阵列的天线单元可以通过电子控制的方式，给与其相连的所有客户端提供最可靠的链接。
根据本发明的另一个方面，一个天线阵列至少包含两组天线单元。这两组天线单元由一个信号源(例如，一个射频驱动电路)驱动。每个天线单元包括两个单独的反射体，它们通过一个二极管焊接在一起。根据二极管的状态(例如，导通或断开)，所述天线阵列的辐射方向图可以被电子控制，以保证与它连接的每一个客户端设备获得最可靠的链接。理论上，如果一个天线阵列中有n组天线单元，每组天线单元包含两个反射体，那么根据不同的实施方式将有2n个不同的辐射特性可供选择。
基于不同的实施方式，本发明可以被应用于一种方法、一种装置或一个系统的一部分。根据本发明一个具体实施例，本发明是一种天线系统，其包括：一基板；至少两个天线单元，每个天线单元包括两个天线和两个反射体，其中，所述每个天线单元中的两个反射体通过一个开关相连；和一个开关控制单元，其通过电子控制所述开关，所述开关通过接通或者断开来改变天线系统的辐射方向图。
进一步的，所述天线单元当中两个天线的输入功率是相同的。
进一步的，所述每个天线单元的输入功率是相同的。
进一步的，所述基板是一个印制电路板(PCB)，所述天线单元由PCB上的覆铜构成。
进一步的，所述天线单元通过各自的PCB板上的铜带由电源供电。
进一步的，所述开关是焊接于两个反射体之间的二极管，当所述二极管导通，两个反射体联通，当所述二极管断开，两个反射体物理上断开连接。
进一步的，所述天线单元中的两个天线位于所述PCB的两侧。
进一步的，所述每一个天线单元中两个反射体的末端都斜向上伸出一段，来隔离两个相邻的天线单元。
根据本发明另一个具体实施例，本发明是一种天线系统，其包括：一印制电路板(PCB)；四个二极管；四个天线单元，其离开所述PCB的中心等间隔设置于PCB的四个边的中心，每一个天线单元包括两个天线和两个反射体，每一个天线单元中的两个反射体通过一个二极管相连，所述天线和反射体都由PCB上的铜带构成，通过由电子控制的二极管的开和关以改变所述天线系统的辐射方向图。
所述天线单元由一个位于中心处的电源驱动，并且，所述每个天线单元的输入功率是相同的。
进一步的，其还包括一个开关控制单元，其用来控制所述二极管。
进一步的，所述开关控制单元接收反馈信号，并通过接收到的反馈信号来控制所述二极管。
进一步的，所述天线单元通过各自的PCB板上的铜带由电源供电。
进一步的，所述每一个天线单元中的两个反射体通过一个二极管焊接相连。
进一步的，所述每一个天线单元中的两个天线位于所述PCB的两侧。
进一步的，所述每一个天线单元中两个反射体的末端都斜向上伸出一段，来隔离两个相邻的天线单元。
本发明的有益效果：本发明一种天线系统，其体积小、工作频带宽、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
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中
图1为本发明一种采用物理原件相构造或简单印刷在PCB上的天线阵列在一个具体实施例中的放大视图；
图2A为图1中天线全向模式的驻波图，全向模式下，四个二极管全部断开，相当于开路；
图2B为天线全向模式相应方位角辐射方向图；
图3A为本发明的天线在一个具体实施方式中的驻波图，其四个二极管中任意一个导通、其余三个断开，即有一个二极管将与其相连的两个反射体联通；
图3B为对应于图3A中天线的相应方位角辐射方向图；
图4A为图1天线的另一种模式的驻波图，四个二极管中任意两个相邻的均导通，其余两个断开，即有两个相邻的二极管分别将与其相连的反射体联通；
图4B为对应于图4A天线的相应方位角辐射方向图；
图5为本发明的天线系统在一个具体实施例中的框图。
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。
本发明的详细描述包含了过程、步骤、逻辑运算、处理以及其他使用符号直接或间接的表明通信装置与馈电网络的耦合等类似的操作。这些过程的描述通常被熟悉本领域的技术人员用来与其他同领域的技术人员作有效的沟通。
以下描述中用到的″一个具体实施例″或″具体实施例″是指结合该具体实施例中所描述的特定特征、结构或特性，并至少包含在本发明内的一个具体实施例。出现的″在一个具体实施例中″并不一定是指在同一个具体实施例，这些具体实施例也不存在相互排斥或相互替换。此外，本实施例中流程框图做提到的具体实施例的顺序并不表示任何特定的顺序，也未做限制。
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。进一步的，希望提供一套能够传递最佳射频(radio frequency，无线电频率、射频)功率覆盖已知的方位角跨度的天线系统。本发明的一个具体实施例提供了一个高增益天线系统，它能根据与其连接的客户端方位，通过电子控制自适应获得最佳的辐射方向图。另外，本具体实施例中天线的物理排列是紧凑而特殊的，它提供了一个覆盖性能最佳的方式，并且覆盖范围内没有零点。
根据一个具体实施例，该天线系统最初是设计用于2×2多输入/多输出(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)本发明的天线系统可以具有多个天线单元，以形成期望的天线辐射方向图，这些天线单元按对称的分布组成阵列，并且由一个RF源同时驱动。
(2)本发明的天线单元可以做在印制电路板(PCB)上，这使得该天线系统可以放置于同一个天线罩内。
请参阅图1至图5，其中的数字标号会在多个图中出现多次。根据本发明一个实施例，图1所示为天线阵列100，它既可以用单独的物理原件构造，也可以简单的做在PCB上。根据本发明一个实施例，天线阵列100有四个独立的天线单元102(即，102-1，102-2，102-3和102-4)围绕一个源106(例如，RF驱动电路)构成。每个天线单元102包括两个反射体A和B以及两个辐射单元C和D。为便于本发明的描述，两个辐射单元作为一个偶极子天线。本领域技术人员应该知道，其他类型的天线也可作为辐射单元应用于天线阵列100中。
在一个具体实施中，两个反射体A和B，两个辐射单元C和D可能会印在PCB的两侧。每两个反射体A和B的一端稍微向两个相邻天线单元之间延伸，以减少它们之间的干扰。如图1所示，在该实施例中，四个天线单元102呈方形排列，各个天线单元距离源106的距离相同，所述源106通过导线108(例如，在PCB上的印制带线)驱动各个天线单元102。每两个反射体A和B的一端向着两个相邻的天线单元中间弯曲延伸。本领域技术人员应当明白，本发明中详细描述的两个反射体A和B的设计可以变化。
所述两个反射体A和B通过二极管110相连。在电子学中，二极管是一个双端电子元件，其具有非对称的电导。电流正向流过时，二极管具有很低(理想情况为零)的电阻值，电流逆向方向流过时，二极管的电阻值很高(理想情况为无穷大)。二极管最常见的功能是允许电流正向通过(即，二极管前向方向)，同时阻挡反向电流通过(即，二极管反方向)。当前，最常见的一种半导体二极管是一种由半导体材料结晶片制成的p-n结，p-n结连接到两个电端子。
通过控制所述二极管110以控制两个反射体A和B的连接，天线阵列100的辐射方向图相应地改变。当所述二极管110的状态类似短路时，所述反射体A和B相当于物理上连接在了一起，共同充当后面两个辐射单元的反射。当二极管110的状态类似于一个开路时，所述反射体A和B没有连接在一起，并且在RF性能上对彼此相邻的偶极子辐射单元影响不大。由于图1中四个独立的天线单元102使用了四个二极管，理论上，有24＝16个不同的辐射特性可供选择。
为了天线正常工作，必须确保天线的辐射方向图和输入阻抗都在可接受的范围。图2A、3A和4A示出图1中天线阵列在3个不同的操作模式下的电压驻波比(VoltageStanding Wave Ratio，简称VSWR)性能，电压驻波比是反射系数的函数，它描述了天线端的反射功率。图2A是全向模式，四个二极管都断开，即充当开路。每个天线单元102独立地工作的。图2B示出了全向模式的对应的水平面辐射方向图。
请参阅图3A和图3B。图3A为四个二极管中任意一个导通，其余三个断开，即有一个二极管将与其相连的两个反射体联通时的驻波图。图3B为对应于图3A天线的水平面辐射方向图。
请参阅图4A和图4B。图4A为四个二极管中任意两个相邻的均导通，其余两个断开，即有两个相邻的二极管分别将与其相连的反射体联通时的驻波比图。图4B为对应于图4A天线的水平面辐射方向图；
请参阅图5，其为本发明的天线系统500在一个具体实施例中的系统框图。如图5所示，所述天线系统500具有或包括多个集成天线单元502，每个集成天线单元502可以对应于图1中所示的一个天线单元102，或包含至少两个天线，该两个天线至少具有通过开关508连接的两个反射体A和B。在一个具体实施例中，开关508是可以电子控制的，以焊接方式连接在所述两个反射体A和B之间，二极管的导通和断开实现了两个反射体A和B的连接与分离。
请参阅图5。所述源510提供相同的功率驱动集成天线单元502，每个天线单元502是独立地。开关控制单元511通过开关508来控制每一个天线单元502。通过控制所述每个天线单元的反射体502，以控制总的天线辐射方向图，以提供两个收发器之间可靠和高效的连接。在一个具体实施例中，开关控制单元511可以接收一个反馈信号，以便确定哪些二极管开启、哪些关闭。这样通过接收到的反馈信号来指示如何最好地促进两个收发器之间的通信。在本发明的上下文中，通过一个或多个开关的连接或断开来重塑天线系统500的辐射方向图。
根据本发明的一个实施例，所述天线系统500中使用的开关有多种方式。在一个实施例中，开关是通过两个反射体间焊接一个二极管实现。
根据本发明的一个实施例，天线系统500构建在一个外壳中并通过一个或多个客户端设备提供无线通信。当有多个客户端设备(例如，智能电话)与该天线系统500进行通信时，所述天线系统500可以通过电子控制改变相应的辐射方向图，以更好地服务于客户端设备。
在一个示例性应用中，接入点(例如，Wi-Fi设备)配备有天线系统100，并且有移动设备访问。在图2B所示的缺省全向模式天线辐射方向图判定不再有效。理想情况下，图5中天线系统500的天线辐射方向图应当更具有方向性(最大方向指向客户端)。如图4B，基于两个设备间的RF信号的变化，所述开关控制单元511能够操作以选择性地打开两个相邻的二极管，使两对反射体同时保持联通，其它二极管断开，以重塑默认的天线辐射方向图2B，得到一个新的天线辐射方向图4B。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种天线系统，其特征在于：其包括：
一基板；
源；
至少两个独立的天线单元，每个天线单元包括两个天线和两个反射体，其中，所述每个天线单元中的两个反射体通过一个开关相连，各个天线单元围绕所述源排布，各个天线单元距离源的距离相同，所述源通过导线驱动各个天线单元，各个天线单元的反射体靠近所述源，而各个天线单元的两个天线远离所述源；和
一个开关控制单元，其通过电子控制所述开关，所述开关通过接通或者断开来改变天线系统的水平面辐射方向图，
所述基板是一个印制电路板(PCB)，所述天线单元由PCB上的铜带构成。
2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：所述天线单元当中两个天线的输入功率是相同的。
3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于：所述每个天线单元的输入功率是相同的。
4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：所述天线单元通过各自的PCB板上的铜带由电源供电。
5.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于：所述开关是焊接于两个反射体之间的二极管，当所述二极管导通，两个反射体连通，当所述二极管断开，两个反射体物理上断开连接。
6.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：所述天线单元中的两个天线位于所述PCB的两侧。
7.如权利要求6所述的天线系统，其特征在于：所述每一个天线单元中两个反射体的末端都斜向上伸出一段，来隔离两个相邻的天线单元。
8.一种天线系统，其特征在于：其包括：
一印制电路板(PCB)；
四个二极管；
源；
四个独立的天线单元，其离开所述PCB的中心等间隔设置于PCB的四个边的中心，每一个天线单元包括两个天线和两个反射体，每一个天线单元中的两个反射体通过一个二极管相连，所述天线和反射体都由PCB上的铜带构成，各个天线单元围绕所述源排布，各个天线单元距离源的距离相同，所述源通过导线驱动各个天线单元，各个天线单元的反射体靠近所述源，而各个天线单元的两个天线远离所述源；
通过由电子控制的二极管的开和关以改变所述天线系统的水平面辐射方向图，
所述天线单元中的两个天线位于所述PCB的两侧，所述每一个天线单元中两个反射体的末端都斜向上伸出一段，来隔离两个相邻的天线单元。
9.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于：所述天线单元由一个位于中心处的电源驱动，并且，所述每个天线单元的输入功率是相同的。
10.如权利要求9所述的天线系统，其特征在于：其还包括一个开关控制单元，其用来控制所述二极管。
11.如权利要求10所述的天线系统，其特征在于：所述开关控制单元接收反馈信号，并通过接收到的反馈信号来控制所述二极管。
12.如权利要求9所述的天线系统，其特征在于：所述天线单元通过各自的PCB板上的铜带由电源供电。
13.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于：所述每一个天线单元中的两个反射体通过一个二极管焊接相连。
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