CN105119042B - 一种改进型八木天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种天线系统，其包括：一个平整的金属基板；多个集成天线单元，每个集成天线单元包含4个天线单元，每个天线单元包括：一块平整的金属基板构成的反射器；和一块垂直安装在所述金属基板上的印刷电路板(PCB)，所述PCB上蚀刻有振子和至少一个引向器；所述4个天线单元均垂直的安装在所述金属基板上并形成一个开口的盒子。本发明提供了一种体积小、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。

Description

一种改进型八木天线阵列

相关申请

本申请是一个共同美国申请号为14/270,362，名称为一种无线应用中的可切换天线、申请日为2014年5月6的部分连续申请。

技术领域

本发明属于天线领域，具体涉及一种集成天线阵列的结构，以及通过电子控制来形成所需要的辐射方向图，自适应环境，为收发设备提供可靠、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部分。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SISO(单发单收)。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。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)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。在无线电学中，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。

一般情况下，一个天线阵列或系统包括很多天线单元，通过不同的结构排布以及控制来得到不同的辐射方向图。当这些可以独立控制、激励的天线单元集成在一起时，需要特别的设计来减少天线单元之间以及天线单元与馈电系统之间的相互作用。

本发明公开的了一种天线结构，将天线单元集成在一块平面上，最大限度的减少天线单元间以及天线单元与馈电系统间的相互作用。

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。

本发明涉及到一种通过电子控制天线单元来形成所需要的辐射方向图的天线阵列，它能自适应环境，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，天线阵列由不少于一个集成天线单元组成。集成天线单元包括两组天线单元，可以选择性的激励任意一组或两组，来实现理想的覆盖。每组天线单元包括两个平行的天线单元，每个天线单元又包括一个反射器，一个振子以及一个或多个引向器。一块表面覆有导电材料的基板用来承载天线整列的同时，又被设计为反射器。振子分成两部分分别覆在一种非金属板(例如印制电路板，简称PCB)的两侧，这种PCB垂直的安装在基板上。

根据本发明的另一个方面，每个天线单元PCB两侧的两条传输线分别激励位于PCB两侧的振子，以尽量减少天线单元之间的相互作用。

根据本发明的另一个方面，一种双面PCB用来做天线单元，利用两面铜箔蚀刻出天线振子和引向器，这种PCB天线单元垂直的安装在基板上。

通过电子控制天线单元的状态(导通或断开)，来获得不同的天线阵列辐射方向图，来提供最可靠的链路给客户端。理论上，如果天线阵列有n个天线单元，且每个天线单元均可以独立控制，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。

根据不同的用途，本发明可以应用于一种解决方案、一种装置或一个系统的一部分。根据一个实施例，本发明是一种天线系统，其特征在于，其包括：一个平整的金属基板；多个集成天线单元，每个集成单元又包含4个天线单元，每个天线单元包括：一块平整的金属基板构成的反射器；一块垂直安装在所述金属基板上的印刷电路板(PCB)，所述PCB上蚀刻有振子和至少一个引向器；4个PCB天线单元均垂直的安装在所述金属基板上并形成一个开口的盒子。

根据另一个实施例，本发明是一种天线系统，该天线系统包括：一个外壳；一个金属基板，其内置于所述外壳内并被配置为一个反射器，一块垂直安装在所述金属基板上的印刷电路板(PCB)，所述PCB上蚀刻有振子和至少一个引向器，这样构成了一个有反射器、振子以及引向器的八木天线结构。

本发明的有益效果：本发明提供了一种体积小、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所示为本发明的天线单元100在一个具体实施例中的立体示意图；

图2A所示为图1中天线单元的其中一面结构示意图；

与2B所示为图1中天线单元的另一面结构示意图，振子被分成两部分分别蚀刻在印制电路板(PCB)的两侧；

图3A所示为天线单元100在WiFi 2.4GHz频段的电压驻波比图；

图3B所示为天线单元100的垂直面辐射方向图；

图3C所示为天线单元100的水平面辐射方向图；

图4A所示为由四个天线单元100组成的天线阵列或天线系统的立体示意图；

图4B所示为图4A所示集成天线单元的俯视示意图；

图5A所示为集成天线单元垂直极化单元的垂直面辐射方向图；

图5B所示为集成天线单元垂直极化单元的水平面辐射方向图；

图6A所示为集成天线单元水平极化单元的垂直面辐射方向图；

图6B所示为集成天线单元水平极化单元的水平面辐射方向图；

图7所示为图4A所示的天线阵列的一种变化方式，图中电磁波极化方向既不水平也不垂直；

图8所示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所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高增益并且体积小的天线系统。另外，理想状况下是能够根据不同的应用场景，调整合适的射频(RF)覆盖扇区，从而部署合适的天线系统。本发明的一个实施例提供了一种天线阵列的设计，通过馈线(例如：金属线)激励天线单元以最大限度的减少对方向图的影响。

八木天线是一种用于天线系统中的天线类型，是一种定向天线，由多个平行的偶极子天线(包含反射器、引向器)排成一条线阵，通常由金属棒构成。一个单个的振子通过传输线连接到激励源上(发射机或接收机)。这种独特的设计相比简单的偶极子天线，在方向性和增益上都有巨大的提高。

为了满足这种天线结构，传输线(例如50欧姆同轴线)需要想办法连接到位于反射器与引向器之间的振子上。换句话说，馈线改变天线结构，影响天线性能的可能性将大大增加，这是不希望产生的结果，此外这样也增加了分析的难度使天线变得难以控制。另一方面，在无线网络应用中，天线通常需要与其他电子器件集成在一起，这样需要一块基板(例如一块接地板)来承载它们为系统工作。本发明的一个实施例将基板当做天线结构的一部分，完全消除了天线单元与馈电系统之间的影响。

请参阅图1，其为发明的天线单元100在一个具体实施例中的立体示意图。如图1所示，其中的数字标号会在多个图中出现多次。根据本发明的一个实施例，图1所示的天线单元100与八木天线有着基本类似的结构。所述基板102被设计成天线单元100的反射器。在一个实施例中，所述基板102是一块金属板。在另一个实施例中，基板102具有导电性的表面。以下，所述基板102是一块金属基板。另一块板104垂直的安装在金属基板102上。在一个实施例中，104是一块印制电路板(PCB)，上面蚀刻有振子以及一个或多个引向器。请参阅图2A和2B，图2A、2B分别所示为天线单元100的两面，振子被分成两部分分别蚀刻在PCB板104的两侧。如图2A和图2B所示，图2A中PCB板104的一侧包括振子单元的一部分107以及引向器109；图2B中PCB板104的另一侧包括振子单元的另一部分106以及引向器108；其中振子的两部分106、107由一个金属化过孔连接起来。本实施例中，连接两部分的金属化过孔设置在沿所述天线单元100的中心线上。应当注意的是，可以有更多的引向器加载在天线单元的每一侧，以提高天线增益及方向性。本实施例中天线单元100的每一侧只有一个引向器。

根据一个实施例，所述振子的两部分106、107分别通过由金属带制作的传输线110、111连接到驱动源(未示出)。为了匹配天线单元的阻抗，传输线的形状被特殊的设计为非直线。在一个实施例中，传输线的形状呈现非对称的“T”形，如图2A和2B，非对称“T”形较长的一边指向引向器的方向。

在一个实施例中，传输线110、111被布置在天线单元的中心(不一定是PCB的中心)。两条传输线沿PCB板厚度方向投影重合，分别布置在PCB板的两侧，振子的两部分106、107分别布置在PCB板的两侧。在一个实施例中，振子的两部分106与107形状相同。为了满足阻抗要求，振子的形状被设计为一个矩形加上一段平行的金属条，平行的金属条又被连接到振子106、107的两侧。应当注意的是，可以有很多种振子形状设计。由于传输线在天线单元的中央位置，且有一定的宽度，所以传输线110、111会超出振子106、107的边界一小部分。

另外，本发明中的天线单元相较传统的八木天线至少有两个点创新。第一点：本发明涉及的天线单元利用一个接地平面取代传统八木天线中单独出现的反射器，且这种接地平面可以是无线电路的一部分。第二点：接地平面解决了同轴馈电系统的不平衡。

为了完整性，图3A示出了天线单元100在WiFi 2.4GHz频段的电压驻波比VSWR图，这是一种有关天线反射功率与发射功率比(反射系数)的函数。图3B示出为天线单元100的垂直面辐射方向图，图3C所示为天线单元100的水平面辐射方向图。对于线极化天线，电场或者E面是含有电场矢量的平面，最大的辐射方向决定了电磁波的极化方向。对于垂直极化天线，E面一般与垂直面重合，对于水平极化天线，E面一般与水平面重合。E面与H面为90度正交。

请参阅图4A，其为由多个天线单元402构成的天线阵列或天线系统400的立体视图。如图4A中所示，有四个相同的天线单元402垂直的安装在基板404上。所述基板404还用作四个天线单元的反射器。四个相同的天线单元402被集成为一体，形成一个开口的盒子，图4B为集成天线单元的俯视图。

请继续参阅图4A。在本发明的一个实施例中，图4A所示的天线单元402对应于图1所示的天线单元100，每个天线单元402在PCB上。每一对天线单元402包括两个平行的天线单元，并且两个天线单元等幅同相被激励。换句话说，这个小型的天线结构可以支持两个独立的RF信道收发。一个RF信道使用一对水平极化的天线单元，另一个RF信道使用一对垂直极化的天线单元。众所周知，在射频领域，偶极子的RF辐射能量方向定义为极化方向。因此使用如图4A所示的结构作为一种紧凑的天线阵列。一个RF信道提供垂直极化RF辐射，一个RF信道提供水平极化RF辐射，极化分集是已知的一种重要的改善无线网络覆盖以及服务的方法。

为了完整性，图5A示出了图4A天线系统的垂直极化模式的垂直面辐射方向图；图5B示出了图4A天线系统的垂直极化模式的水平面辐射方向图；图6A示出了图4A天线系统的水平极化模式的垂直面辐射方向图；图6B示出了图4A天线系统的水平极化模式的水平面辐射方向图。可能会注意到，图5A与图6A几乎相同，图5B与图6B几乎相同，这是由图1所示天线单元100所组成的紧凑型天线阵列(见图4A)提供的独特功能之一。这意味着，该天线设计允许有两个独立的通道，已提供两个线性极化不相关，且物理空间一致的RF覆盖，这对于优化无线网络覆盖和服务非常重要。

图7所示为由图1所示天线单元100所组成的紧凑型天线阵列(见图4A)的另一种方式。其中两个独立的RF极化方向既不垂直也不水平。本质上，一个是从垂直方向正向旋转了45度，而另一个是从垂直逆向旋转了45度。这两个独立的极化的辐射特性几乎保持相同。

根据另一个实施例，图4A所示的天线系统可以被当做一个集成天线单元来组成一个较大的天线阵列。在结构上，由这些天线单元(如图1所示)或者集成天线单元(如图4A所示)构成的天线系统在物理上是对称的，通过同一个RF源激励，可以选择性的激励任意一个或几个，也可以同时的激励所有的天线单元。

请参阅图8，其为本发明的天线系统800在一个具体实施例中的框图。如图8所示，所述天线系统800被构造为包含多个如图4A所示的集成的天线单元400。每个集成天线单元802包括四个天线单元(对应于图1所示天线单元1001)。两个平行的天线单元形成一对，从而有一对水平极化天线和一对垂直极化天线。该天线系统800被封闭在一个外壳内。

在操作中，天线系统800连接在射频模块810端。在发射模式中，射频模块810发送信号输出到天线系统800。在接收模式中，射频模块810被配置为接收从天线系统800收到的信号。为更好的接收，将接收到的信号送给射频模块810，天线系统800被配置成动态的改变辐射方向图，通过有选择地激励一个或多个天线808，一个或多个天线单元804和806，或一个或多个集成天线单元802。

在一个示例性应用中，无线接入点AP(例如，一个无线网络设备)配备有天线系统800，并且由移动设备进行访问。天线系统800默认的辐射方向图(所有天线单元激励)不再是最有效的。理想情况下，该天线系统800的最大辐射方向应朝向所述移动设备。由于射频信号在两个设备之间交互，射频模块810可以计算以选择性激励一个或多个天线单元，来构造理想的天线辐射方向图，以提供更好的无线网络的覆盖。

前面参照此具体的实施方式描述了本发明内容，但此描述不能作为本发明的限定实施方式。熟悉本领域的技术人员基于本发明的权利要求书中的任何改动都可作为优选具体实施例，因此，除上述具体实施例外，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 (5)

1.一种天线系统，其特征在于：其包括：

多个集成天线单元，每个集成天线单元包含4个天线单元，每个天线单元包括：

一块平整的第一金属基板构成的反射器；和

一块垂直安装在所述第一金属基板上的印刷电路板（PCB），所述PCB上蚀刻有振子和至少一个引向器；

所述4个天线单元的第一金属基板拼接形成一块平整的第二金属基板，所述4个天线单元的印刷电路板形成一个开口的盒子，

所述每个集成天线单元中平行的两个天线单元为一组，与其垂直的两个天线单元为另外一组，两组天线单元均被等幅值同相位激发，用来建立两个独立的RF信道，所述两个独立的RF信道分别由水平极化波和垂直极化波传输,

所述印刷电路板（PCB）的两侧蚀刻有振子的两部分铜箔，这两部分铜箔通过金属化过孔连接, 所述两部分由铜箔蚀刻成的振子高度一致,所述两部分由铜箔蚀刻成的振子由一对传输线从PCB板直接馈电,所述传输线呈现非对称的“T”型形状，较长的一侧指向引向器,所述印刷电路板的两侧刻蚀的振子的形状相同，每个振子上设置有一段平行的金属条。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：所述每个集成天线单元可以同时激发或者有选择性的激发。

3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：所述引向器在PCB的两侧。

4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：所述引向器在PCB的一侧。

5.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于：所述天线系统封闭在一个外壳内。