CN105576356A - 辐射方向图可重构的平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种辐射方向图可重构的平板天线，包括：基板；接地板，其位于基板的中央区域，并且工作在主反射器模式下；多个驱动单元，其对称并且径向分布在接地板周围；多个寄生元件组，每个寄生元件组包括引向器与反射器，并且引向器与反射器依照驱动单元的位置分布在基板的外侧。本发明的天线具有如下优点：体积小、制造精度高、成本低，馈电网络较为简单并且阻抗匹配性能更好，RF能量传送能力较高。

Description

辐射方向图可重构的平板天线

技术领域

本发明概括而言涉及无线通信领域，更具体而言，涉及一种辐射方向图可重构的平板天线。

背景技术

在小小区中，需要更改天线辐射图以满足覆盖扇区、容量性能或干扰抑制的需要。可以使用天线阵列的方法，但是这将导致天线的外形变大并且成本会大幅升高。辐射方向图可重构天线为小小区的基站提供了低成本并且可行的待选方案。

在很多方向图可重构天线中，ESPAR(电子可控被动阵列辐射器)天线是众多无线通信应用可选的方案。对于典型的ESPAR天线，单个有源元件被多个相同的寄生元件包围。采用变容二极管来加载每个寄生元件的底部。因此，在典型的7元件ESPAR天线中，通过调整变容二极管的偏置电压，该天线可以形成不同的辐射方向图。

然而，用于调整上述偏置电压的控制电路比较复杂。因此，当前有采用垂直于基板的金属棒和RF开关来代替变容二极管来将寄生元件在引向器和反射器两个工作模式之间切换。辐射方向图可以通过不同的开关组合配置来改变。这种设计仍然存在一些缺点：(1)尺寸大，天线高度取决于通常为单级子的驱动元件的高度，并且为了提升地面的反射效果，它需要一定长度的套筒；(2)阻抗变化，当寄生元件在反射器和引向器工作模式间切换时，由于互耦的影响，有源/驱动元件(馈电点)处的输入阻抗将变化明显，从而导致较差的VSWR(电压驻波比)；(3)需要较高的制造精度；(4)垂直极化的RF能量传输不如水平方向。

因此，亟需一种成本低、体积小且辐射方向图能够重构的天线。

发明内容

针对以上问题，本发明通过提供了一种辐射方向图能够重构的平板天线。

本发明提出了一种平板天线，包括：基板；接地板，其位于所述基板的中央区域，并且工作在主反射器模式下；多个驱动单元，其对称并且径向分布在所述接地板周围；多个寄生元件组，每个寄生元件组包括引向器与反射器，并且所述引向器与反射器依照所述驱动单元的位置分布在所述基板的外侧。

优选的，所述驱动单元被配置为V形，其包括第一支臂和第二支臂，其中，所述第一支臂与所述寄生元件位于所述基板的顶部，所述第二支臂位于所述基板的底部且耦接至所述接地板。

优选的，所述引向器被配置为V形，其包括第三支臂和第四支臂，所述引向器沿径向分布在所述驱动单元的外侧；所述反射器被配置为直线型，其沿切向分布在所述驱动单元的外侧，用于聚集由所述驱动单元产生的方向辐射图。

优选的，所述引向器的支臂之间的夹角基本上等于所述驱动单元的支臂之间的夹角；和/或所述反射器包括至少两个在径向上基本上相互平行的支臂。

优选的，所述反射器的至少两个支臂中的最长的支臂为距离所述接地板最近的支臂。

优选的，所述平板天线还包括开关单元，其位于所述基板的中央区域，用于选择相应一个或多个的驱动单元。

优选的，所述驱动单元还包括至少一个与所述开关单元同步的接地开关，所述开关被配置为：当所述驱动单元被选中时，所述接地开关断开，以使得所述驱动单元能够接收来自位于所述基板中心的馈电点的射频信号；当所述驱动单元未被选中时，所述接地开关闭合，以使得驱动单元接地。

优选的，所述平板天线还包括阻抗匹配单元，其耦接至所述驱动单元，并分布在所述基板中心的周围，用于匹配所述天线的输入阻抗。

优选的，所述阻抗匹配单元为微带线匹配电路或集成的电感-电容匹配电路。

优选的，所述接地板为六边形，和/或所述引向器的支臂之间的夹角基本上为30度。

优选的，所述平板天线由PCB工艺制造。

另外，通过采用本发明中的技术方案，相较于现有技术中天线，本发明有如下优点体积小、制造精度高、成本低，馈电网络较为简单并且阻抗匹配性能更好，RF能量传送能力较高。

附图说明

通过参考下列附图所给出的本发明的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本发明，并且本发明的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1为依据本发明实施例的平板天线示意图；

图2a为依据本发明实施例的驱动单元示意图；

图2b为依据本发明实施例的驱动单元馈电电路示意图；

图3为依据本发明实施例的引向器和反射器示意图；

图4为依据本发明实施例的采用RF开关组进行馈电控制的示意图；

图5显示了通过选择不同天线支路而形成的不同的天线方向图；

图6为依据本发明实施例的一种阻抗匹配电路结构示意图；

图7为依据本发明实施例的另一种阻抗匹配电路结构示意图；

图8为依据本发明实施例的VSWR模拟仿真图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明中，提出了一种可重构天线波束的平板天线。特别地，该平板天线包含V形平板振子驱动元件、V性引向器以及一些直线形的反射器。

图1为依据本发明实施例的平板天线示意图。

平板天线10，包括：基板101，其具有两个平行侧(顶部和底部)；接地板102，其位于基板101中央区域并且在本实施例中为六边形，其工作在主反射器的模式下，其在基板101的底部接地；多个(本实施例中为6个)驱动单元，其对称并且径向分布在接地板102的周围。依照对应于6个驱动单元，基板101上还设置有多个寄生元件组，每个寄生元件组均包括依照驱动单元103分布的V形的引向器104以及直线形的反射器105；以及，位于基板101中心的射频(RF)馈电点106。在本实施例中，驱动单元103为V形的平板振子。

由图1可知，引向器104与反射器105依照每个驱动单元的位置分布在基板101的外侧。驱动单元103的两个支臂分别分布在基板101的两侧，即图1中的以斜线表示的部分实际上是分布在基板101的底部，而不是与其它寄生元件分布在顶部上。斜线部分与接地板102在基板101的底部相耦接，从而驱动单元103构成了天线的偶极子。

平板天线10的寄生元件以60度均匀分布，因此，能够在天线的平面提供全信号覆盖，从而可以将驱动RF信号施加至6个天线支路来实现波束的重构。

可以理解的是，在一些实施例中，基板101可以是PCB板，譬如FR4、Rogers4003或其它介电材料。寄生元件则可以由金属构成，譬如，铝、铜。

图2a为依据本发明实施例的驱动单元示意图。

因为本实施例的平板天线是通过印刷电路板来实现，因此，为了使得基板101顶部和底部的接地板102上下能够等电势，本实施例中在接地板102上设置多个过孔。图中为了清楚起见，仅仅表示出其中的两个过孔108。

在基板101的底部，接地板102的一部分被配置为构成驱动单元103，该驱动单元103包括位于基板101顶部的第一支臂103a和位于基板101底部的第二支臂103b，且两个支臂的长度均为S1。第二支臂103b与接地板102的底部相连。因此，呈V形的驱动单元103能够提供与天线平面平行的极化的方向辐射图。

请同时参考图2a、2b。图2b为依据本发明实施例的驱动单元馈电电路示意图。

驱动单元103由微带线馈电，并且通过阻抗匹配电路对输入阻抗进行匹配。两个pin二极管107被布置在基板的顶部，并且靠近V形的振子。在图2b中，pin二极管107被等效为开关107。当该驱动单元103被选中进行馈电时，相应的两个pin二极管107处于断开状态，以使得驱动单元103能够接收来自馈电点的RF信号，其它的支路上的pin二极管则为导通状态，以使得驱动单元103接地，不对其他驱动单元产生干扰。

图3为依据本发明实施例的引向器和反射器示意图。

与驱动单元103相同，引向器104也呈V形，并且其两个带状支臂之间的夹角与支臂103a、103b之间的夹角相同。在本实施例中，支臂103a、103b之间的夹角为30度。引向器104与接地板102的电距离为d2，而反射器105与馈电点的电距离分别为d3和d4，显然d3、d4均长于d2。相应的，引向器104的两个带状支臂的长度S2应小于等于驱动单元103支臂长度S1，S1与S2之间的差值为0至0.2S1。

在引向器104的两侧均分布有反射器105，即反射器105沿切向分布在驱动单元103的外侧，从而能够将驱动单元103产生的方向辐射图聚集，并且提供了额外的辐射增益。在本实施例中，反射器105包括两个平行的反射臂，且长度分别为S3和S4，其中，S4为0.7S3至0.9S3。

可以理解的是，还可以增添其它的引向器和反射器，以进一步聚集方向辐射图。

馈电点106用于接收或传输射频信号。该天线还可以包括位于基板中央区域的开关单元，用于选择相应一个或多个的驱动单元103进行馈电。

这里，开关单元优选地使用单刀六掷开关SP6T以选择并连接馈电点和一个天线支路。SP6T开关可以是集成电路，也可以是RF开关组(pin二极管、GaAs晶体管等)。在实际应用中，多个控制信号可以用于控制开关SP6T的导通或断开。

当然，本实施例也可以采用其它类型的开关，从而将馈电点耦接至两个或多个天线支路，但这要求额外的不同的馈电网络。

图4为依据本发明实施例的采用RF开关组进行馈电控制的示意图。请同时参考图2b和图4。

图4中，采用pin二极管41作为天线支路的选通开关，每个pin二极管分别由控制信号CS1-CS6中的一个来控制。当控制信号CS1-6中有一个为高电平时，此时pin二极管导通，从而能够选择相应的天线支路，此时开关107也相应地断开，从而使得RF信号能够从馈电点传输至电线支路。显然，pin二极管的状态变化与开关单元的状态变化同步，以确保驱动单元103能够被选中。

图2a、3中显示了各寄生元件的外形与尺寸，可以理解的是，天线元件的外形取决于天线所要工作的频率、所需的阻抗带宽和基板的厚度。

例如，工作频率为3.5GHz基板是0.8mm厚的FR4时，可以设置如下参数(单位为毫米)：

表1天线参数表

S1	S2	S3	S4	d2	d3	d4	Wg	Lg	W
										17	16.5	25	21	22.5	35	50	18.5	16	2

表1中，Wg为接地板102的边长，Lg为从馈电点到V形振子103的微带线的长度，W为V形振子103的两个支臂的宽度。

以表1中的参数进行仿真，可以得到图5中的天线方向图。图5显示了通过选择不同天线支路而形成的不同的天线方向图。如所示的，每个天线支路图形的可以达到大概7.5dbi的增益，半功率波束宽度HPBW是52度。当然，可以通过选择两个或多个邻近的天线支路来获得一些联合的辐射图。

优选的，本发明还提出了一种对输入阻抗进行匹配的电路。相对于其他方法，使用集中的电容器和电感器的该方法更容易地调整和焊接以匹配输入阻抗。因此，可以采用π型匹配网络以优化回波损耗。

如图6所示，C1和C2是电容器，L1为电感。集中的馈电是50欧姆馈电。开关处于断开状态。当设置C1＝1.2pF、C2＝0.7pF、L1＝2.4nH时，相应的回波损耗S11可以达到-21.5db，并且天线带宽是3.5％(3.44-3.56GHz)。

本发明还提出了一种通过微带线电路实现输入阻抗匹配的电路。如图7所示，采用微带线以替代图6中的分立的电感电容元件。

当带宽为3.5GHz时，微带匹配电路的参数优化如下：

TL1＝2.9mm，TL2＝6.19mm，TW1＝1.5mm，TW2＝1.8mm，FR4基板的厚度为0.8mm，单根微带线TL2是开路。

另外，为了增加天线输入阻抗带宽，可以加粗寄生元件以改变天线的电流分布。

在一实施例中，V型的振子、V形的引向器和直线型的反射器的臂宽进行加宽2-6mm，从而增加天线操作带宽。

通过提升的臂宽和微带匹配电路的方式，在3.5GHz时，回波损耗低于-30db，并且20-dB阻抗匹配是3.418-3.591GHz，这满足了LTEB22/B42频带的要求。

图8为基于上述参数进行的模拟仿真图。由图可知，VSWR小于1.4∶1的阻抗匹配带宽是3.381-3.935GHz，显然，带宽得到了增强。这描述了通过拓宽天线臂来改进输入阻抗匹配的可行性。但是，最大的增益也将被减小0.7dBi。

优选的，当天线的臂宽被增大时，V形振子的两个支臂的长度可以减短。

为了能够在更低频率的LTE频带中使用，天线的外形应该被改变并且按比例变大。

以2.4GH为例，天线的尺寸可以被维持在很小的区域中。例如，当天线尺寸为15*15.4cm²时，其上的寄生元件的臂宽被加宽至9mm。相应的，微带线匹配电路的尺寸被修改为TW1＝3mm，TW2＝1.53mm，TL1＝6.6mm，TL2＝7.22mm。

在频带为2.4GHz时，修改后的天线的20-dB阻抗匹配是2.371-2.426GHz，并且具有55MHz的带宽。VSWR＜1.4∶1的阻抗匹配带宽约为2.3511-2.4481GHz(～97MHz)。显然，如果加宽驱动器、引向器，这个带宽可以被提升。

另外，如果天线的覆盖的外形能够变得更大，天线将具有更好的阻抗匹配带宽和更高的增益。如果覆盖的外形被固定在很小的比例中，对于较低的LTE频带，其在增益方向图和阻抗匹配带宽之间有折中。

本发明有如下优点：

(1)平面印刷天线结构，其将减少天线的体积，同时由于可以采用PCB工艺，天线的制造精度将大大提升，成本将大幅降低；

(2)对称的驱动元件，使用开关以选择合适的驱动元件进行馈电，这将简化馈电网络，并且在馈电点能够得到更好的阻抗匹配；

(3)被动寄生元件仅仅工作在一个模式下，无需在引向器和反射器之间切换，提升了可靠性并且简化了电路；

(4)采用了水平极化，提升了RF能量传送能力。

可以理解的是，上述实施例中的宽度或长度的变化，均是为了提升天线相应方面的性能，或是在天线的带宽与增益之间的折中，而不能被用来限制本发明的天线在不同的应用场景下的不同的优化。

本领域技术人员能够理解的是，上述的状态仅仅用于示例，并非用于限定本发明的应用范围。本领域技术人员可以针对每种特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种平板天线，其特征在于，包括：

基板；

接地板，其位于所述基板的中央区域，并且工作在主反射器模式下；

多个驱动单元，其对称并且径向分布在所述接地板的周围；

多个寄生元件组，每个寄生元件组包括引向器与反射器，并且所述引向器与反射器依照所述驱动单元的位置分布在所述基板的外侧。

2.如权利要求1所述的平板天线，其特征在于，

所述驱动单元被配置为V形，其包括第一支臂和第二支臂，其中，所述第一支臂与所述寄生元件位于所述基板的顶部，所述第二支臂位于所述基板的底部且耦接至所述接地板。

3.如权利要求2所述的平板天线，其特征在于，

所述引向器被配置为V形，其包括第三支臂和第四支臂，所述引向器沿径向分布在所述驱动单元的外侧；

所述反射器被配置为直线型，其沿切向分布在所述驱动单元的外侧，用于聚集由所述驱动单元产生的方向辐射图。

4.如权利要求3所述的平板天线，其特征在于，

所述引向器的支臂之间的夹角基本上等于所述驱动单元的支臂之间的夹角；和/或

所述反射器包括至少两个在径向上基本上相互平行的支臂。

5.如权利要求4所述的平板天线，其特征在于，

所述反射器的至少两个支臂中的最长的支臂为距离所述接地板最近的支臂。

6.如权利要求4所述的平板天线，其特征在于，

所述接地板为六边形，和/或所述引向器的支臂之间的夹角基本上为30度。

7.如权利要求1所述的平板天线，其特征在于，还包括

开关单元，其位于所述基板的中央区域，用于选择相应一个或多个的驱动单元进行馈电。

8.如权利要求7所述的平板天线，其特征在于，

所述驱动单元还包括至少一个与所述开关单元同步的接地开关，所述接地开关被配置为：

当所述驱动单元被选中时，所述接地开关断开，以使得所述驱动单元能够接收来自位于所述基板中心的馈电点的射频信号；

当所述驱动单元未被选中时，所述接地开关闭合，以使得驱动单元接地。

9.如权利要求8所述的平板天线，其特征在于，

所述接地开关包括至少一个pin二极管。

10.如权利要求1所述的平板天线，其特征在于，还包括

阻抗匹配单元，其耦接至所述驱动单元，并对称分布在所述基板中心的周围，用于匹配所述天线的输入阻抗。

11.如权利要求10所述的平板天线，其特征在于，

所述阻抗匹配单元为微带线匹配电路或集成的电感-电容匹配电路。

12.如权利要求1至11任一项所述的平板天线，其特征在于：

所述平板天线由PCB工艺制造。