CN105490008B - 具有动态辐射方向图的天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线系统，其包括：至少一个天线单元，所述天线单元包括天线振子、设置于所述天线振子周围的多个反射单元和与各个反射单元分别对应的多个开关单元，其中每个开关单元耦接于对应的反射单元和地之间；和控制单元，其通过控制各个开关单元的开启和关断来改变所述天线系统的辐射方向图。这样，可以灵活控制所述天线系统的辐射方向图。

Description

具有动态辐射方向图的天线系统

【技术领域】

本发明属于无线通讯领域，具体涉及具有动态辐射方向图的智能天线系统。

【背景技术】

天线系统是通信系统组成中必不可少的，在以往的无线通信中，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是传统MIMO(多发多收)天线，其实质是利用发射和接收分集，提高系统性能，降低误码率。然而天线本身的非智能并没有得到解决。此外全向性天线的增益普遍较低，定向覆盖能力较差，如果没有很精确的布局，经常会出现终端信号连接不稳定等现象。

因此，急需一种既可以灵活控制天线方向图(或称辐射方向图)的智能天线系统。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种智能天线系统，其具有可以灵活控制天线辐射方向图。

本发明涉及到一种天线系统，其包括：至少一个天线单元，所述天线单元包括天线振子、设置于所述天线振子周围的多个反射单元和与各个反射单元分别对应的多个开关单元，其中每个开关单元耦接于对应的反射单元和地之间；和控制单元，其通过控制各个开关单元的开启和关断来改变所述天线系统的辐射方向图。

进一步的，当一个开关单元开启时，该开关单元对应的反射单元就能够有效反射所述天线振子发射于其上的无线电波信号，当该开关单元关断时，该开关单元对应的反射单元无法有效反射所述天线振子发射于其上的无线电波信号，从而导致所述天线系统在该开关单元开启时的辐射方向图与所述天线系统在该开关单元关断时的辐射方向图不同。

进一步的，所述开关单元具有多种开启关断组合，所述开关单元的每种开启关断组合，会使得所述天线系统形成一种辐射方向图，所述开关单元的多种开启关断组合，会使得所述天线系统形成多种辐射方向图。

进一步的，所述开关单元具有2ⁿ种开启关断组合，也就使得所述天线系统具有2ⁿ种辐射方向图，n为所述反射单元的个数，其中n大于等于2。

进一步的，所述控制单元具有动态扫描模式和正常工作模式，在动态扫描模式下，所述控制单元控制各个开关单元快速遍历所有开启关断组合，以使得所述天线系统快速遍历所有种辐射方向图，在所述天线系统的每种辐射方向图下，配备所述天线系统的设备与终端设备进行无线通讯以便所述天线系统获得来自所述终端设备的反馈信号，通过对比所述天线系统在所有种辐射方向图时的反馈信号，找到所述天线系统的最合适所述终端设备的一种辐射方向图以及各个开关单元的最合适所述终端设备的一种开启关断组合，在正常工作模式下，所述控制单元控制各个开关单元处于最合适所述终端设备的一种开启关断组合下，这样使得所述天线系统具有最合适所述终端设备的一种辐射方向图。

进一步的，所述控制单元交替的处于所述动态扫描模式和所述正常工作模式下，使得所述终端设备相对于配备所述天线系统的设备移动过程中，仍然能够使得所述天线系统具有不断变化的最合适所述终端设备的辐射方向图。

进一步的，所述天线单元还包括固定装置，该固定装置能够固定各个反射单元以防止各个反射单元相对于所述天线振子发生位置变化。

进一步的，各个反射单元均匀的排布于所述天线振子的周围。

进一步的，所述天线系统还包括有基板，所述天线单元安装于所述基板上，所述天线振子和所述反射单元是由金属冲压折弯而制成，所述天线振子的末端焊接于所述基板的振子焊垫上，所述反射单元的末端焊接于所述基板上的反射焊垫上。

进一步的，所述开关单元为二极管，当二极管导通，所述反射单元接地；当二极管断开，所述反射单元与地物理上断开。

进一步的，所述天线单元包括多个，其中部分天线单元工作于第一频率，部分天线单元工作于第二频率。

与现有技术相比，本发明的特点与优点在于，所述天线系统的天线辐射方向图可以被灵活控制。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为本发明中的智能天线系统在一个实施例中的立体示意图；

图2为图1中的智能天线系统的俯视图；

图3为图1中的智能天线系统的仰视图；

图4A为图1中的天线系统中的第一天线单元的正面立体示意图；

图4B为图4A中的第一天线单元的背面立体示意图；

图5A、图5B为图1中的天线系统中的第二天线单元的正面立体示意图，其中图5A中并未示出固定装置，而图5B中示出了固定装置；

图5C为图1中的天线系统中的第二天线单元的背面立体示意图；

图6为所有反射单元均不接地时，其中一个天线单元的水平面辐射方向图；

图7A-7D所示为仅有一个反射单元接地，其余反射单元均不接地时，天线单元的水平面辐射方向图；

图8A-8F所示为有两个反射单元接地，两个反射单元均不接地时，所述天线单元的水平面辐射方向图；

图9A-9D所示为仅有一个反射单元不接地，其余反射单元均接地时，所述天线单元的水平面辐射方向图；

图10所示为所有反射单元均接地时，所述天线单元的水平面辐射方向图。

图11为本发明中的智能天线系统在另一个实施例中的结构示意图。

【具体实施方式】

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直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。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。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。本文中的耦接是指直接或间接的电性连接。

图11为本发明中的智能天线系统在一个实施例中的结构示意图。如图11所示的，所述天线系统1100包括：至少一个天线单元1110和控制单元1120。所述天线单元1110的个数可以根据需要确定，比如1、2或更多个，图11中示意出了m个，分别标记为1110-1,1110-2,1110-m，其中m为大于等于1的自然数。射频模块1130能够驱动所述天线单元1110。所述天线单元1110包括天线振子1111、设置于所述天线振子1111周围的多个反射单元1112、与各个反射单元1112分别对应的多个开关单元1113，其中每个开关单元1113耦接于对应的反射单元1112和地之间。

当一个开关单元1113开启时，该开关单元对应的反射单元1112就能够有效反射所述天线振子1111发射于其上的无线电波信号，当该开关单元1113关断时，该开关单元1113对应的反射单元1112无法有效反射所述天线振子1111发射于其上的无线电波信号，从而导致所述天线系统1100在该开关单元1113开启时的辐射方向图与所述天线系统1100在该开关单元1113关断时的辐射方向图不同。这样，所述控制单元1120通过控制各个开关单元1113的开启和关断来改变所述天线系统1100的辐射方向图，从而实现灵活的控制所述天线系统1100的辐射方向图。

所述开关单元1113具有多种开启关断组合。所述开关单元1113的每种开启关断组合，会使得所述天线系统1100形成一种辐射方向图，所述开关单元1113的多种开启关断组合，会使得所述天线系统1100形成多种辐射方向图。假定所述反射单元的个数为n，n大于等于2，所述开关单元1113就会具有2ⁿ种开启关断组合，也就使得所述天线系统1100具有2ⁿ种辐射方向图，比如n为3，那么各个开关单元1113就会具有8种开启关断组合，所述天线系统1100也会具有8种辐射方向图。

在一个优选的实施例中，所述控制单元1120具有动态扫描模式和正常工作模式。在动态扫描模式下，所述控制单元1120控制各个开关单元1113快速遍历所有开启关断组合，以使得所述天线系统1100快速遍历所有种辐射方向图，在所述天线系统1100的每种辐射方向图下，配备所述天线系统1100的设备(比如WiFi路由器)与终端设备(比如智能手机、计算机、平板等)进行无线通讯以便所述天线系统1100获得来自所述终端设备的反馈信号，通过对比所述天线系统1100在所有种辐射方向图时的反馈信号(比如找到无线信号强度RSSI最强的反馈信号)，找到所述天线系统1100的最合适所述终端设备的一种辐射方向图以及各个开关单元1113的最合适所述终端设备的一种开启关断组合。在正常工作模式下，所述控制单元1120控制各个开关单元1113处于最合适所述终端设备的一种开启关断组合下，这样使得所述天线系统1100具有最合适所述终端设备的一种辐射方向图。这样，无论所述终端设备在什么位置，所述天线系统1100都可以提供最适合所述终端设备的辐射方向图，从而可以提高无线通信的质量和速度。

在一个优选的实施例中，所述控制单元1120交替的处于所述动态扫描模式和所述正常工作模式下，使得所述终端设备相对于配备所述天线系统的设备移动过程中，仍然能够使得所述天线系统1100具有不断变化的最合适所述终端设备的辐射方向图。

图1为本发明中的智能天线系统100在一个实施例中的立体示意图；图2为图1中的智能天线系100的俯视图；图3为图1中的智能天线系统100的仰视图。结合图1-3所示的，所述天线系统100包括基板130、两个第一天线单元110和两个第二天线单元120。第一天线单元110工作于第一频率，第一天线单元120工作于第二频率，比如第一频率为2.4Ghz，第二频率为5Ghz，这样该天线系统100支持双频段。

如图1-3所示，该天线系统100是设计用于2×2多输入/多输出(MIMO，即每种天线单元有两个)的Wi-Fi网络架构，同样的设计也适用于3×3MIMO，比如将每种天线单元的个数增加为3个。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×N的MIMO硬件架构。本发明的特点与优点包括：

1.天线系统工作频段覆盖2.4Ghz和5GGz，每个工作频段又包括两个独立的垂直极化天线单元，这些天线单元按特定的位置排布，由各自的射频(RF)模块驱动。

2、每天线单元都是由金属折弯制作，直接焊接在基板(PCB)上，整体高度不超过12mm，体积轻薄。

图4A为图1中的天线系统中的第一天线单元110的正面立体示意图。图4B为图4A中的第一天线单元的背面立体示意图。结合图4A和图4B所示的，所述第一天线单元110包括安装于所述基板130上的天线振子401、四个反射单元402以及固定装置403。该固定装置403能够固定各个反射单元402以防止各个反射单元402相对于所述天线振子401发生位置变化。各个反射单元402均匀的排布于所述天线振子401的周围，水平方位每隔90度排布一个反射单元402，每个反射单元402到天线振子401的距离相同。

所述天线振子401和所述反射单元402是由金属冲压折弯而制成。所述天线振子401的末端焊接于所述基板的振子焊垫407上，所述反射单元402的末端焊接于所述基板上的反射焊垫404上。第一天线单元110的馈电系统由与所述振子焊垫407耦接的传输线406和馈点405组成。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在可接受的范围内。通过调整传输线406的宽度、电长度，可以很好地将第一天线单元的阻抗匹配在50欧姆。

所述反射单元402和物理地没有直接连接，物理地镂空了四个反射单元的位置404。所述反射单元402通过二极管与物理地相连。在电子学中，二极管是一个双端电子元件，具有非对称的电导。电流正向流过时，它具有很低(理想情况为零)的电阻值，电流逆向方向电阻值很高(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，二极管反向方向)。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，连接到两个电端子。所述二极管用作开关单元。

通过控制二极管可以控制反射单元402和物理地的连接，第一天线单元110的辐射方向图相应地改变。当二极管的状态类似短路时，反射单元402和物理地相当于物理上连接在了一起，此时反射单元对天线的辐射方向图有反射的效果；当二极管的状态像一个开路时，反射单元402和物理地没有连接在一起，此时反射单元对天线的辐射方向图影响不大。由于图4A看出，第一天线单元110有四个反射单元402，使用了四个二极管，理论上，4个开关单元具有2⁴＝16种开启关断组合，这样第一天线单元110也具有2⁴＝16种不同的辐射方向图可供选择。

图5A、图5B为图1中的天线系统中的第二天线单元120的正面立体示意图，其中图5A中并未示出固定装置，而图5B中示出了固定装置；图5C为图1中的天线系统中的第二天线单元的背面立体示意图。第二天线单元120也包括天线振子501、四个反射单元502以及固定装置504。该固定装置503能够固定各个反射单元502以防止各个反射单元502相对于所述天线振子501发生位置变化。各个反射单元502均匀的排布于所述天线振子501的周围，水平方位每隔90度排布一个反射单元502，每个反射单元502到天线振子501的距离相同。

为了达到排布位置准确无误，采用固定装置504将天线振子501与四个反射单元502连接为一体，同时方便安装。本领域技术人员应当明白，本发明中详细描述的四个反射单元502的设计可以变化。

由图5A看出，所述反射单元502和物理地没有直接连接，物理地镂空了四个反射单元的位置505；同时由图5B看出，反射单元502和物理地通过二极管508相连。原理同第一天线单元，此处不再复述。由于图5A看出，第二天线单元120有四个反射单元502，使用了四个二极管508，理论上，有2⁴＝16种开启关断组合，这样第二天线单元120也具有2⁴＝16种不同的辐射方向图可供选择。

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在可接受的范围内。从图5A、5B、5C看出，第二天线单元120的馈电系统由馈点503和传输线509组成，通过调整传输线的宽度、电长度，可以很好地将天线单元的阻抗匹配在50欧姆。506为天线振子焊点，510为反射单元的焊点。

图6至图10所示为前文所述16种水平面辐射方向图。图6所示为所有反射单元与物理地均不导通，即所有控制二极管均断开时，天线单元的水平面方向图。由图中看出，方向图趋于一个圆，此时属于全向模式。

图7A-7B所示为四个控制二极管中任意一个导通，其余三个断开时，天线单元的水平面辐射方向图。图7A、7B、7C、7D分别表示不同方位的控制二极管导通，对应的反射单元与物理地相连，天线单元的水平面辐射方向图不在是全向性的，最大值有了四个不同的方向，分别指向对应的反射单元相反方向。

图8A-8F所示为四个二极管中任意两个导通，其余两个断开，天线单元的水平面辐射方向图。图8A、8B、8C、8D分别表示任意相邻的两个控制二极管导通时，对应的反射单元与物理地相连，天线单元的辐射方向图最大值指向对应的两个反射单元相反的方向；图8E、8F分别表示相对的两个控制二极管导通时，对应的反射单元与物理地相连，天线单元的辐射方向图最大值分别指向没有导通的两个反射单元方向。

图9A-9D所示为四个控制二极管中任意一个断开，其余三个均导通时，天线单元的水平面辐射方向图。图9A、9B、9C、9D分别表示不同方位的控制二极管断开，对应的反射单元与物理地断开，天线单元的水平面方向图最大值指向该方向，并且其余方向的功率进一步减少。

图10所示为所有反射单元与物理地均导通，即所有控制二极管均导通时，天线单元的水平面辐射方向图。由图中看出，天线辐射方向图最大值在相邻反射单元中间方向。

很显然，在其他实施例中，所述天线系统也可能只有覆盖一种频率的天线单元，也可能有覆盖三种或更多种频率的天线单元。覆盖每种频率的天线单元的个数可以是2个，也可以是3个或其他数目个。反射单元的数目也可以是3个、5个或其他数目个。

所述开关单元也可以更换为其他电子可控开关单元，比如MOS(metal oxidesemiconductor)晶体管、MEMS(Micro-electro-mechanical-Systems)开关等。

本发明中的“连接”、“相连”或“相接”等表示电性连接的词语都表示电性的间接或直接连接。上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。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。

Claims (9)

1.一种天线系统，其特征在于，其包括：

至少一个天线单元，所述天线单元包括天线振子、设置于所述天线振子周围的多个反射单元和与各个反射单元分别对应的多个开关单元，其中每个开关单元耦接于对应的反射单元和地之间；和

控制单元，其通过控制各个开关单元的开启和关断来改变所述天线系统的辐射方向图，

所述天线单元还包括固定装置，该固定装置能够固定各个反射单元以防止各个反射单元相对于所述天线振子发生位置变化，

各个反射单元排布于所述天线振子的周围，

所述开关单元具有多种开启关断组合，

所述控制单元具有动态扫描模式和正常工作模式，

在动态扫描模式下，所述控制单元控制各个开关单元快速遍历所有开启关断组合，以使得所述天线系统快速遍历所有种辐射方向图，在所述天线系统的每种辐射方向图下，配备所述天线系统的设备与终端设备进行无线通讯以便所述天线系统获得来自所述终端设备的反馈信号，通过对比所述天线系统在所有种辐射方向图时的反馈信号，找到所述天线系统的最合适所述终端设备的一种辐射方向图以及各个开关单元的最合适所述终端设备的一种开启关断组合，

在正常工作模式下，所述控制单元控制各个开关单元处于最合适所述终端设备的一种开启关断组合下，这样使得所述天线系统具有最合适所述终端设备的一种辐射方向图。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，当一个开关单元开启时，该开关单元对应的反射单元就能够有效反射所述天线振子发射于其上的无线电波信号，当该开关单元关断时，该开关单元对应的反射单元无法有效反射所述天线振子发射于其上的无线电波信号，从而导致所述天线系统在该开关单元开启时的辐射方向图与所述天线系统在该开关单元关断时的辐射方向图不同。

3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述开关单元的每种开启关断组合，会使得所述天线系统形成一种辐射方向图，所述开关单元的多种开启关断组合，会使得所述天线系统形成多种辐射方向图。

4.如权利要求3所述的天线系统，其特征在于，所述开关单元具有2ⁿ种开启关断组合，也就使得所述天线系统具有2ⁿ种辐射方向图，n为所述反射单元的个数，其中n大于等于2。

5.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述控制单元交替的处于所述动态扫描模式和所述正常工作模式下，使得所述终端设备相对于配备所述天线系统的设备移动过程中，仍然能够使得所述天线系统具有不断变化的最合适所述终端设备的辐射方向图。

6.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，其还包括有基板，所述天线单元安装于所述基板上，

所述天线振子和所述反射单元是由金属冲压折弯而制成，所述天线振子的末端焊接于所述基板的振子焊垫上，所述反射单元的末端焊接于所述基板上的反射焊垫上。

7.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述开关单元为二极管，当二极管导通，所述反射单元接地；当二极管断开，所述反射单元与地物理上断开。

8.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线单元包括多个，其中部分天线单元工作于第一频率，部分天线单元工作于第二频率。

9.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于：所述第一频率为2.4GHz，第二频率为5GHz。