CN105470641A - Pcb波束形成天线 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及PCB波束形成天线。一种二维天线(325)包括地平面(310)、主辐射器元件(330)和至少一个可切换辐射器元件(340、350、360、370)。地平面(310)包括导电材料并且电耦合到电接地。主辐射器元件(330)设置成与所述地平面(310)呈共面关系并且电耦合到收发器(390)的信号路径(385)。该至少一个可切换辐射器元件(340、350、360、370)被设置成与所述地平面(310)和所述主辐射器元件(330)呈共面关系并且可选择地可电耦合到所述收发器(390)的所述信号路径(385)和所述电接地中的一者。

Description

PCB波束形成天线
背景技术
在现代通信设备中，二维印刷电路板天线允许通过在标准印刷电路板(PCB)上印刷导电材料来实现天线。这种印刷电路板天线成本很低并且最小化用于实现通信设备的天线所需的空间量。
图1是描绘转换到印刷电路板110的平面的常规三维天线100的示意图。偶极辐射器元件120正交于印刷电路板110的地平面140突出。地平面110代替第一突起中的返回偶极130。
通过将偶极辐射器元件120向下旋转到印刷电路板110的平面，天线被缩减到二维，如图2所示，图2为印刷电路板210的顶视图。偶极辐射器元件220使用诸如铜的导电材料在电路板210上实现。辐射器220与地平面230相邻设置但是不在地平面230上或上方。在图2的实施例中，辐射器220是线性元件并且与地平面230正交地延伸。
图2的印刷电路板天线产生很大程度上的全向辐射模式，即，信号强度在所有方向上近似相等。在一些应用中，期望产生会聚辐射波束并且能够控制所产生的波束的方向和强度。
发明内容
根据本发明的示例性实施例的二维印刷电路板天线包括：地平面；主辐射器元件以及关联的可切换辐射器元件。地平面包括导电材料并且电耦合到电接地。该主辐射器元件被设置成与所述地平面呈共面关系并且电耦合到收发器的信号路径。该至少一个可切换辐射器元件设置成与所述地平面和所述主辐射器元件呈共面关系并且可选择地可电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一方。
本发明的另一个实施例涉及一种电子组件，该电子组件包括印刷电路板和二维天线。该二维天线包括地平面、主辐射器元件和至少一个可切换辐射器元件。该地平面设置在所述印刷电路板上，所述地平面包括导电材料并且电耦合到电接地。该主辐射器元件在印刷电路板上被设置成与所述地平面呈共面关系并且电耦合到收发器的信号路径。该至少一个可切换辐射器元件在所述印刷电路板上被设置成与所述地平面和所述主辐射器元件呈共面关系并且可选择地可电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一方。
本发明的另一个实施例涉及操作二维天线的方法。根据所述方法，提供地平面，该地平面包括导电材料并且电耦合到电接地。提供主辐射器元件，该主辐射器元件被设置成与所述地平面呈共面关系并且电耦合到收发器的信号路径。还提供至少一个可切换辐射器元件，该至少一个可切换辐射器元件设置成与该地平面和该主辐射器元件呈共面关系。可切换辐射元件中的至少一个被选择性地电耦合到收发器的信号路径和电接地中的一方。
附图说明
图1是描绘转换到印刷电路板的平面的常规三维天线的示意图。
图2是印刷电路板天线的顶视图。
图3是根据本发明的示例性实施例的二维印刷电路板天线的顶视图。
图4是表示根据本发明的一个实施例的图3的RF开关单元的示意图。
图5是表示操作二维天线的方法的流程图。
具体实施方式
本发明总体上涉及在印刷电路板上切换辐射器元件以会聚波束功率和辐射模式覆盖范围。
图3是根据本发明的示例性实施例的二维印刷电路板天线的顶视图。在图3中，印刷电路板300包括包含地平面310的一部分(图3的阴影部分)。地平面310是导电材料的区域或层，其连接到电路的接地点，该接地点通常是电源的一个端子。在一些实施例中，地平面310包括铜箔层。在印刷电路板300是多层PCB的实施例中，地平面通常包括印刷电路板的单独的层。地平面310用作来自印刷电路板300上的多个不同部件的电流的返回路径。地平面还用作天线结构325的部分，起到天线325的返回偶极的部分的作用。天线325还包括主辐射器元件330和一个或更多个可切换辐射器元件，它们全部设置在印刷电路板330的不包括铜接地层的部分320(图3中没有阴影的部分)上。在图3所示的实施例中，天线结构325包括四个可切换辐射器元件340、350、360和370。
在本发明的一个实施例中，主辐射器元件330以固定方式耦合到射频收发器390。在一个实施例中，RF收发器390是通信微处理器的部分并且是相对低功率收发器。可切换辐射器元件340、350、360和370经由RF开关单元380可选择地可耦合到RF收发器390或耦合到地。RF开关单元经由RF信号路径385耦合到RF收发器。在一个实施例中，RF开关单元380实现成单独的RF开关集成电路。在另一个实施例中，RF路径385包括阻抗匹配网络，以针对较高效率最大化天线功率。天线325的配置经由可切换辐射器元件340、350、360和370到RF收发器390或地的选择性耦合是可适应的。选择可切换辐射器元件340、350、360和370的哪些被耦合到RF收发器390以及哪些被耦合到地改变通信信号的覆盖模式和范围。天线信号覆盖能够从全向天线模式变化到在特定方向会聚天线波束的模式。微处理器390经由控制总线395控制RF开关单元380中的开关的配置。
在本发明的示例性实施例中，主辐射器元件330和可切换辐射器元件340、350、360和370通过在印刷电路板300的表面上沉积诸如铜的导电材料来形成。主辐射器330和可切换辐射器元件340-370是示例性地线性辐射器元件。在示例性实施例中，主辐射器元件330垂直于地平面310的直边缘而延伸。在一个示例性实施例中，主辐射器元件330和可切换辐射器元件340、350、360和370全部沿着圆形的半径延伸到圆自身上的点。在一个实施例中，圆心对应于地平面310的边缘315上的点。因此，辐射器元件330-370的末端接近但是不接触地平面310的边缘。示例性地，可切换辐射器元件340-370以与主辐射器元件成各种角度设置在主辐射器元件330的两侧，如图3所描绘。选择可切换辐射器元件340、350、360和370的哪些被连接到RF收发器390以及哪些被连接到地产生耦合到收发器390的辐射器元件的不同空隙间隔。空隙间隔即辐射器元件和地平面310之间的角度，部分地确定最终信号的方向性和功率。增大空隙间隔增大定向波束的功率。另外，改变连接到地的可切换辐射器元件的数量还产生不同覆盖模式。
在本发明的另选实施例中，全部辐射器元件330-370，包括元件330，是能够可选择地连接到RF收发器390或连接到地的可切换辐射器元件。图4是表示另选实施例中的RF开关单元380的示意图。在示例性实施例中，RF开关单元380实现成单独的集成电路。在图4的开关单元中，引线430、引线440、引线450、引线460和引线470分别耦合到图3的辐射器元件330、辐射器元件340、辐射器元件350、辐射器元件360和辐射器元件370。引线440、450、430、460和470分别连接到开关401、402、403、404和405。端子410、411、412、413和414耦合到地。端子420、421、422、423和424耦合到RF收发器390的信号路径。在示例性实施例中，开关401-405的每个的位置，即，它们连接到地还是连接到RF收发器390，经由控制总线395由微处理器390控制。
能够以多种方式由微处理器390确定哪些辐射器元件被选择为有效辐射器元件以及哪些辐射器元件被选择为地元件。在一些实施例中，辐射器元件的选择由微处理器390自动进行。在这些实施例中，微处理器存储并且执行实现辐射器元件的选择的软件算法。辐射器元件的选择能够基于多种因素。在某些实施例中，为了使得指定方向上的信号功率最大化和/或使得实现指定方向上和指定范围下的信号覆盖而需要的功率使用最小化而进行辐射器选择。在特定实施例中，微处理器390执行使得RF开关380通过多个天线配置循环的软件程序。在每个天线配置下，取得一个或多个测量结果来测量从一个或更多个外部设备接收到的信号的信号强度。在针对指定天线配置取得这些测量结果之后，微处理器390通过命令RF开关380修改辐射器元件330-370中的哪些耦合到RF路径385以及哪些耦合到地来实现新的天线配置。在每个选择的天线配置下，测量从一个或更多个外部设备接收到的信号(一个或多个)的信号强度。在已经测试了全部天线配置之后，基于诸如信号强度、定向覆盖和功率使用的因素，微处理器选择最优配置。在确定中还能够使用其他因素。微处理器390接着命令RF开关单元实现期望的天线配置。
在其他实施例中，天线配置的选择能够经由微处理器390的用户接口由用户手动实现。在这样的实施例中，能够由用户手动地执行校准过程以确定辐射器元件330-370的最优选择。
图5是表示根据本发明的示例性实施例的操作二维天线的方法的流程图。在块500，提供地平面，诸如图3中的地平面310。地平面包括导电材料并且电耦合到电接地。在块510，提供主辐射器元件，诸如辐射器元件330。主辐射器元件设置成与所述地平面呈共面关系并且电耦合到收发器，诸如收发器390。在块520，提供至少一个可切换辐射器元件，诸如可切换辐射器元件340-370。至少一个可切换辐射器元件设置成与该地平面和该主辐射器元件呈共面关系。在块530，可切换辐射器元件中的至少一个被选择性地电耦合到收发器和电接地中的一方。
以上参照某些优选实施例已经描述了实现印刷电路板波束成形天线的电路和方法，应注意的是，所公开的实施例是示例性的而不是限制性的，并且在以上公开中想到宽范围的变化、修改、改变和替换。此外，在一些实例中，本发明的一些特征可以在没有对应使用其他特征的情况下采用。因此，合适的是，所附的权利要求被广义地并且以本文公开的广泛的发明概念一致的方式理解。

Claims (20)

1.一种二维天线，所述二维天线包括：
地平面，所述地平面包括导电材料并且电耦合到电接地；
主辐射器元件，所述主辐射器元件被设置成与所述地平面呈共面关系并且电耦合到收发器的信号路径；以及
至少一个可切换辐射器元件，所述至少一个可切换辐射器元件设置成与所述地平面和所述主辐射器元件呈共面关系并且可选择地可电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
2.根据权利要求1所述的二维天线，其中，所述地平面、所述主辐射器元件和所述至少一个可切换辐射器元件设置在共同的平坦表面上。
3.根据权利要求1所述的二维天线，其中，所述地平面、所述主辐射器元件和所述至少一个可切换辐射器元件设置在印刷电路板上。
4.根据权利要求1所述的二维天线，其中，所述地平面包括直边缘，并且其中所述主辐射器元件是设置成与所述地平面的所述直边缘呈垂直关系的线性辐射器元件。
5.根据权利要求4所述的二维天线，其中，所述至少一个可切换辐射器元件中的每个是线性天线元件并且与所述主辐射器元件成角度关系设置。
6.根据权利要求1所述的二维天线，其中，所述至少一个可切换辐射器元件中的每个耦合到关联的开关，所述开关可操作用于可选择地将所述可切换辐射器元件耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
7.根据权利要求1所述的二维天线，其中，所述至少一个可切换辐射器元件包括多个可切换辐射器元件，每个可切换辐射器元件设置成与所述地平面和所述主辐射器元件呈共面关系并且每个可切换辐射器元件可选择地可电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
8.根据权利要求1所述的二维天线，其中，所述至少一个可切换辐射器元件到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者的所述选择性耦合帮助调整所述二维天线的通信波束的覆盖模式。
9.一种电子组件，所述电子组件包括：
印刷电路板；和
二维天线，所述二维天线包括：
设置在所述印刷电路板上的地平面，所述地平面包括导电材料并且电耦合到电接地；
主辐射器元件，所述主辐射器元件在所述印刷电路板上被设置成与所述地平面呈共面关系并且电耦合到收发器的信号路径；以及
至少一个可切换辐射器元件，所述至少一个可切换辐射器元件在所述印刷电路板上被设置成与所述地平面和所述主辐射器元件呈共面关系并且可选择地可电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
10.根据权利要求9所述的电子组件，其中，所述地平面包括直边缘，并且其中所述主辐射器元件是设置成与所述地平面的所述直边缘呈垂直关系的线性辐射器元件。
11.根据权利要求10所述的电子组件，其中，所述至少一个可切换辐射器元件中的每个是线性天线元件并且与所述主辐射器元件成角度关系设置。
12.根据权利要求9所述的电子组件，其中，所述至少一个可切换辐射器元件中的每个耦合到关联的开关，所述开关可操作用于可选择地将所述可切换辐射器元件耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
13.根据权利要求9所述的电子组件，其中，所述至少一个可切换辐射器元件包括多个可切换辐射器元件，每个可切换辐射器元件设置成与所述地平面和所述主辐射器元件呈共面关系并且每个可切换辐射器元件可选择地可电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
14.根据权利要求9所述的电子组件，其中，所述至少一个可切换辐射器元件到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者的所述选择性耦合帮助调整所述二维天线的通信波束的覆盖模式。
15.一种操作二维天线的方法，所述方法包括：
提供地平面，所述地平面包括导电材料并且电耦合到电接地；
提供主辐射器元件，所述主辐射器元件被设置成与所述地平面呈共面关系并且电耦合到收发器的信号路径；
提供至少一个可切换辐射器元件，所述至少一个可切换辐射器元件设置成与所述地平面和所述主辐射器元件呈共面关系；以及
将至少一个所述可切换辐射器元件选择性地电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将至少一个所述可切换辐射器元件选择性地电耦合到所述收发器和所述电接地中的一者包括如下操作：
接收选择信号，所述选择信号指示所述至少一个可切换辐射器元件中的哪些将被耦合到所述收发器的所述信号路径以及哪些将被耦合到所述电接地；以及
响应于所述选择信号，将所述至少一个可切换辐射器元件中的每个耦合到所述收发器的所述信号路径或所述电接地。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述地平面、所述主辐射器元件和所述至少一个可切换辐射器元件设置在印刷电路板上。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个可切换辐射器元件中的每个耦合到关联的开关，所述开关选择地可耦合到所述收发器的所述信号路径和电接地中的一者，并且其中，将至少一个所述可切换辐射器元件选择性地电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者包括将所述关联的开关选择性地耦合到所述收发器的所述信号路径或电接地。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个可切换辐射器元件包括多个可切换辐射器元件并且其中，将至少一个所述可切换辐射器元件选择性地电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者包括将所述多个可切换辐射器元件中的每个选择性地电耦合到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个可切换辐射器元件到所述收发器的所述信号路径和所述电接地中的一者的选择性耦合帮助调整所述二维天线的通信波束的覆盖模式。
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