CN106711589A - 一种可重构天线装置及智能通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构天线装置及智能通信终端，包括螺旋天线、定向天线匹配电路和连接器；所述螺旋天线作为定向天线形成定向辐射磁场；所述定向天线匹配电路连接螺旋天线的信号馈点，用于调节所述螺旋天线的谐振频率；所述连接器用于在改变天线形式时，将所述螺旋天线与参考地连通，以将天线形式从定向天线形式转变成LOOP全向天线形式。本发明通过在现有定向螺旋天线的基础上，增加可控制螺旋天线选择性接地的连接器，从而可以使天线装置从原有的定向辐射转变为全向辐射，实现天线形式从定向天线到全向天线的重构，由此实现了天线装置的兼容性设计，使得天线装置可以根据其实际应用环境择优切换。

Description

一种可重构天线装置及智能通信终端

技术领域

本发明属于天线装置技术领域，具体地说，是涉及一种定向天线的可重构设计。

背景技术

随着智能通信终端及互联网的快速发展，无线通信技术已经成为人们通信的主要方式，不仅局限于手机等移动通信终端，物联网的兴起在方便数据交互的同时，使得人们的社会生活对无线数据通信产生越来越大的依赖。

物联网（The Internet of things）是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网就是物物相连的互联网，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网的基础上延伸和扩展的网络，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行着信息的交换和通信。

目前的物联网设备主要包括智能家电、智能数据通信终端、可穿戴类电子产品等。这些物联网设备大多工作在空旷的通信环境下，其无线传输路径相对较好，受电磁辐射和电磁屏蔽的影响极小，可以同时与其他的一个或多个设备（例如基站）进行信息交互。对于在空旷环境下使用的物联网设备，其内部的天线装置需要设计成全向天线形式，通过形成全向覆盖的信号场，以实现不同方向设备间的信息传递。

但是，对于某些智能通信终端来说，有时会应用在特殊的工作环境中，例如复杂的电磁辐射环境、狭隘的辐射空间及电磁屏蔽环境等。以智能水表、智能电表、无线路由器等通信终端为例进行说明，这类通信终端有的会安装在管道井、地下车库等信号场区较弱的环境中，需要与之通信的接收设备通常仅有一个，且一般位于某一特定的方向，例如管道井的井口处或者地下车库的入口处等。当这类通信终端处于这种狭窄且封闭的传输环境时，若将其天线装置设计成全向天线形式，在特定方向的天线增益会受限，继而影响到有效信号强度。因此，对于工作在特殊环境下的智能通信终端，有时需要将其天线装置设计成定向天线形式，且辐射方向指向接收设备所在的方位，通过增大天线装置在该特定方向上的辐射增益，以提高天线装置在该方向上的通信性能，继而实现其与接收设备之间良好的信息交互。

但是，这些智能通信终端在出厂时并不能确定其具体的应用环境，因此存在天线形式单一化与应用环境多样化不相适应的缺陷，在组网过程中必须根据实际应用环境对智能通信终端的天线装置进行定制，由此便导致了现有的智能通信终端兼容性差、应用领域不灵活等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可重构的天线装置，可以在螺旋定向天线与全向天线之间进行选择切换，以对天线装置的辐射形式实现可重构设计。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明在一个方面提出了一种可重构天线装置，包括螺旋天线、定向天线匹配电路和连接器；所述螺旋天线作为定向天线，形成定向辐射磁场；所述定向天线匹配电路连接螺旋天线的信号馈点，用于调节所述螺旋天线的谐振频率；所述连接器用于在改变天线形式时，将所述螺旋天线与参考地连通，以将天线形式从定向天线形式转变成LOOP全向天线形式。

本发明在另一个方面提出了一种智能通信终端，设置有信号源和可重构天线装置，在所述可重构天线装置中包括螺旋天线、定向天线匹配电路和连接器；所述螺旋天线作为定向天线，形成定向辐射磁场；所述定向天线匹配电路连接在螺旋天线的信号馈点与所述信号源之间，用于调节所述螺旋天线的谐振频率；所述连接器用于在改变天线形式时，将所述螺旋天线与参考地连通，以将天线形式从定向天线形式转变成LOOP全向天线形式。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过在现有定向螺旋天线的基础上，增加可控制螺旋天线选择性接地的连接器，从而可以使天线装置从原有的定向辐射转变为全向辐射，实现天线形式从定向天线到全向天线的重构，由此实现了天线装置的兼容性设计，使得天线装置可以根据其实际应用环境择优切换。将本发明的天线装置应用在智能通信终端上，通过调整天线装置全向辐射，可以使得智能通信终端很好地适应空旷的通信环境；通过调整天线装置定向辐射，可以保证智能通信终端在弱场区或强干扰电磁环境下的天线性能，由此显著提升了智能通信终端对不同电磁传输环境的适应能力，扩展了其应用场合。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提出的可重构天线装置的一种实施例的电路原理图；

图2为本发明所提出的可重构天线装置的第二种实施例的电路原理图；

图3为本发明所提出的可重构天线装置的第三种实施例的电路原理图；

图4为本发明所提出的可重构天线装置工作在定向天线形式下的辐射方向图；

图5为本发明所提出的可重构天线装置工作在全向天线形式下的辐射方向图；

图6为本发明所提出的可重构天线装置工作在狭窄且封闭的传输环境下的信号传输路径图；

图7为本发明所提出的可重构天线装置工作在空旷传输环境下的信号传输路径图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本发明针对采用螺旋式定向天线的智能通信终端，提出了三种可以对螺旋天线的辐射形式实现可重构设计的技术方案，通过设计天线形式在定向天线和全向天线之间择优切换，从而提高了天线装置的兼容性，使得配置有该类天线装置的智能通信终端能够更好地适应各种不同的电磁传输环境。

下面通过三个具体的实施例，对本发明所提出的天线装置可重构设计的具体实现方式进行详细阐述。

实施例一，如图1所示，本实施例的天线装置包括螺旋天线13、定向天线匹配电路12和连接器14等主要组成部分。其中，螺旋天线13作为定向天线，可以在特定方向上形成定向辐射场，以提高天线装置在特定方向上的无线通信性能。本实施例的螺旋天线13优选外置于智能通信终端，以方便调节螺旋天线13的辐射方向。具体来讲，可以将螺旋天线13的主要辐射本体131（即，螺旋部分）设置在智能通信终端的壳体外部，将主要辐射本体131的一端通过分支133连接至螺旋天线13的信号馈点134，将主要辐射本体131的另外一端作为螺旋天线13的末端132，形成自由端。在所述分支133上可以设置转动部16，以使所述主要辐射本体131能够绕所述转动部16自由旋转，继而根据极化方向的需要调整螺旋天线13的辐射方向。在本实施例中，所述主要辐射本体131可以在空间内任意旋转，也可以平行于智能通信终端的壳体，在水平面内绕转动部16做360°旋转。将螺旋天线13的信号馈点134连接至智能通信终端内部的PCB基板10，并与PCB基板10上布设的定向天线匹配电路12连通，通过定向天线匹配电路12连通智能通信终端的信号源11，以实现射频信号的接收和/或发射。本实施例的信号源11是智能通信终端内部构成射频通道的各相关部件的统称，例如，包括晶振、主芯片、多工器、供放电路、滤波电路及其他相关射频器件等。

本实施例的定向天线匹配电路12可以设计成π型结构，具体可以采用三个电容或者三个电感或电容和电感的组合连接而成，通过调谐螺旋天线13的匹配阻抗，以调节所述螺旋天线13的谐振频率与其所要接收的无线信号的频率一致，继而实现对该频段无线信号的有效接收。

当然，所述定向天线匹配电路12也可以采用一个或多个电容或电感或者电容和电感的组合构成L型或者其他形式的匹配网络，以调谐所述螺旋天线13工作在其所需的谐振频率。

当然，对于利用所述螺旋天线13本体即能满足谐振频率要求的天线装置来说，所述定向天线匹配电路12也可以采用零电阻（阻值为零欧姆的电阻元件或导线）设计而成，本实施例并不仅限于以上举例。

为了实现天线装置的兼容性设计，本实施例在所述天线装置中还设置有连接器14，如图1所示。所述连接器14为金属导电体，用于在需要改变天线形式时，将所述螺旋天线13与参考地连通，从而将天线形式从定向天线形式转变成LOOP全向天线形式。

在本实施例中，所述连接器14优选采用一根金属导电柱141安装在智能通信终端的壳体上，且部分外露智能通信终端的壳体，以便于与螺旋天线13接触连通；部分内置智能通信终端的壳体，以便于与PCB基板10上的参考地或者与其他金属参考地良好接通。具体来讲，可以将金属导电柱141的顶端142外露于智能通信终端的壳体，其伸出壳体的高度可以根据以下方式确定：在螺旋天线13旋转至金属导电柱141所在的位置时，金属导电柱141的顶端142刚好与螺旋天线13的末端132充分接触。将金属导电柱141的底端143伸入到智能通信终端的壳体内，连接壳体内的PCB基板10，并与PCB基板10上的参考地良好连接。当螺旋天线13的末端132与金属导电柱141的顶端142接触连通后，螺旋天线13通过金属导电柱141接地，从而将螺旋天线13转变成LOOP天线，实现天线形式从定向天线到全向天线的切换。

考虑到在调整天线长度满足其所需要收发的无线信号的谐振频率要求时，不同的天线形式对应的天线长度并不相同，在将天线装置从螺旋定向天线转变为LOOP全向天线时，为使LOOP全向天线具有与螺旋天线13相同的自谐振频率，本实施例在所述天线装置中还设置有全向天线匹配电路15，如图1所示，具体可以采用一个或多个电容或电感或电容和电感的组合形成π型、L型或其他形式的匹配网络，连接在金属导电柱141的底端143与PCB基板10的参考地之间，以实现天线装置由螺旋天线13到LOOP全向天线切换后的阻抗匹配调谐。

下面结合图4-图7，对本实施例的天线装置的工作原理进行具体说明。

当配置有本实施例所述天线装置的智能通信终端60位于特殊的电磁环境下，例如地下管道、车库等狭窄且封闭的传输环境时，如图6所示，由于在这种相对封闭的电磁传输环境61中，与智能通信终端60所对应的接收设备62（例如基站）往往仅设置有一个，且通常位于特定的方向，例如位于管道的延伸路径中或者管道的进口或出口周围，因此对天线装置在特定方向上的收发性能有着针对性且较高的要求。为了确保智能通信终端60与其所对应的接收设备62可靠通信，应将天线装置的辐射形式调整到指向接收设备62的定向辐射，通过增强天线装置在该特定方向上的辐射增益，以提高智能通信终端60在该特定方向上的通信性能。

具体来讲，当智能通信终端60位于如图6所示的相对封闭的电磁环境时，将天线装置中的螺旋天线13与连接器14分离，即，调整智能通信终端60的天线形式为定向天线，通过螺旋天线13接收和发送无线信号。图4示出了螺旋天线13的辐射方向。通过螺旋天线13形成的磁场辐射方向为定向，由主波瓣41和副波瓣42组成。其中，主波瓣41为螺旋天线13的有效辐射波瓣，其在某方向上的增益可远高于全向天线。调整螺旋天线13的方向，使其形成的主波瓣41指向接收设备62所在的方向，通过增大螺旋天线13在该方向上的辐射增益，以确保智能通信终端60与所述接收设备62链接通信。

当配置有本实施例所述天线装置的智能通信终端70位于空旷的传输环境时，如图7所示，例如位于户外、楼宇、家庭时，其信号的传输路径相对较好，允许智能通信终端70与一台或者多台设备（例如基站71、72、73、74）同时链接通信。在这种传输环境下，对天线的增益要求并不苛刻，但对天线传输的多向性有要求，需要天线全向辐射，以实现智能通信终端70与不同方位设备71-74的多链路通信要求。为此，应调整天线装置的天线形式为全向天线形式，以实现全向辐射。

具体来讲，当智能通信终端70位于如图7所示的空旷传输环境时，将天线装置中的螺旋天线13与连接器14连通，即，将螺旋天线13的末端132与连接器14中的金属导电柱141的顶端142可靠接触，通过金属导电柱141将螺旋天线13的末端连通参考地，从而将螺旋天线13由定向天线重构为LOOP形式的全向天线，以形成全向辐射的电磁场，如图5所示。图5中，51、52为LOOP全向天线形成的辐射波瓣，其磁场辐射方向为全向，由此可以实现智能通信终端70与多台设备71-74之间的多路径同时链接。

本实施例通过设计天线装置可以在螺旋定向天线与LOOP全向天线之间进行选择切换，由此可以实现智能通信终端在不同电磁传输环境下的多方案兼容设计。

实施例二，如图2所示，本实施例的天线装置包括螺旋天线13、定向天线匹配电路12和连接器24等主要组成部分。其中，螺旋天线13作为定向天线，用于在特定方向上形成定向辐射磁场，以提高天线装置在特定方向上的无线通信性能。本实施例的螺旋天线13也优选设计成外置天线，以便于调节螺旋天线13的辐射方向。所述螺旋天线13在智能通信终端上的具体布设方式可参照实施例一中的相关描述，只是在螺旋天线13中连接其主要辐射本体131的分支132上无需设置转动部，因为本实施例的螺旋天线13不可转动，需通过调整智能通信终端的安装方向来改变螺旋天线13的定向辐射方向。将螺旋天线13的信号馈点133连接至智能通信终端内部的PCB基板10，并与PCB基板10上布设的定向天线匹配电路12连通，通过定向天线匹配电路12连通智能通信终端的信号源11，以实现射频信号的接收和发射。

本实施例的定向天线匹配电路12同样可以设计成π型、L型或其他形式的谐振匹配网络，以用于调节螺旋天线13的谐振频率。

在本实施例中，所述连接器24优选采用一根金属导电柱241配合开关244设计而成。具体来讲，可以将金属导电柱241安装在智能通信终端的壳体上，且部分外露智能通信终端的壳体，部分内置智能通信终端的壳体。将露出壳体的金属导电柱241的顶端242与螺旋天线13的末端132固定连接，将内置于壳体中的金属导电柱241的底端243与开关244连接，并通过开关244与PCB基板10上的参考地或者与其他金属参考地良好接通，通过控制开关244导通，以使金属导电柱241接地。

在本实施例中，所述开关244可以是有源开关，通过接收智能通信终端中控制器输出的控制信号，来改变其自身的通断状态。当然，所述开关244也可以是手动开关，根据智能通信终端所处的通信环境，手动控制所述开关244导通或者断开，以改变智能通信终端的天线形式，使其天线装置可以在定向天线与全向天线之间择优切换，继而使智能通信终端无论身处何种通信环境下，都能获得最佳的通信性能。

为了在天线装置由螺旋定向天线调整到全向天线时，仍能保持其原有的自谐振频率，本实施例在所述天线装置中还进一步设置有全向天线匹配电路25，如图2所示，具体可以采用一个或多个电容或电感或电容和电感的组合形成π型、L型或其他形式的匹配网络，连接在开关244与PCB基板10的参考地之间，以实现天线装置由螺旋天线13到全向天线切换后的阻抗匹配调谐。

当配置有本实施例所述天线装置的智能通信终端处于狭隘的辐射空间环境时，如图6所示的狭窄且封闭的传输环境61时，控制所述开关244断开，使天线装置工作在螺旋定向天线形式。根据接收设备62所在的方位，调整智能通信终端60的安装方向，使螺旋天线13辐射形成的主波瓣41指向接收设备62所在的方位，通过提高天线装置在该特定方向上的辐射增益，以改善智能通信终端60与所述接收设备62之间的无线通信性能。

当配置有本实施例所述天线装置的智能通信终端处于空旷的传输环境时，如图7所示的空旷环境时，控制所述开关244闭合，使螺旋天线13的末端132通过金属导电柱241、开关244、全向天线匹配电路25连通参考地，从而将天线装置由定向天线形式切换至LOOP全向天线形式，形成如图5所示的全向辐射磁场，以满足智能通信终端与一台或多台设备之间的多路径同时链接的要求。

本实施例的天线装置通过改变开关244的通断状态，来实现天线装置在螺旋定向天线与LOOP全向天线之间的择优切换。

实施例三，如图3所示，本实施例的天线装置主要由螺旋天线13、定向天线匹配电路12、连接器34等部分组成。其中，螺旋天线13作为定向天线在特定方向上形成定向辐射场，以提高天线装置在特定方向上的无线通信性能。本实施例的螺旋天线13同实施例一，外置于智能通信终端，可以360°旋转，继而根据需要的极化方向改变其辐射方向。将螺旋天线13的信号馈点133连接至智能通信终端内部的PCB基板10，并与PCB基板10上布设的定向天线匹配电路12连通，通过定向天线匹配电路12连通智能通信终端的信号源11（即，射频通道），以实现射频信号的接收和发射。

本实施例的定向天线匹配电路12同样可以采用电容或电感或电容和电感的组合设计成π型谐振匹配网络，以用于调节螺旋天线13的谐振频率，使其与待收发的无线信号的频率一致。

为了实现天线装置从螺旋天线13向全向天线的转变，本实施例在所述连接器34中设置有软导线341和开关342，如图3所示。将所述软导线341的一端连接至螺旋天线13的末端132，将软导线341的另一端连接至开关342，并通过开关342的开关通路连通PCB基板10上的参考地或者与其他金属参考地良好接通。由此，可以控制开关342导通，来将软导线341接地，继而将螺旋天线13从定向天线重构成LOOP形式的全向天线。

在本实施例中，所述开关342同样可以选用有源开关或者手动开关，通过改变开关342的通断状态，以切换天线装置的天线形式。

同理，为了在天线装置由螺旋定向天线调整到全向天线时，仍能保持其原有的自谐振频率，本实施例在所述天线装置中还进一步设置有全向天线匹配电路35，如图3所示，具体可以采用一个或多个电容或电感或电容和电感的组合设计成π型、L型或其他形式的匹配网络，连接在开关342与PCB基板10的参考地之间，以实现天线装置由螺旋天线13到LOOP全向天线切换后的阻抗匹配调谐。

图3所示天线装置的工作原理是：当配置有本实施例所述天线装置的智能通信终端处于狭隘的辐射空间环境时，如图6所示的狭窄且封闭的传输环境61时，控制所述开关342断开，使天线装置工作在螺旋定向天线形式。根据接收设备62所在的方位，调整螺旋天线13的辐射方向（此时，软导线341跟随螺旋天线13一同转动），使螺旋天线13辐射形成的主波瓣41指向接收设备62所在的方位，通过提高天线装置在该特定方向上的辐射增益，以改善智能通信终端60与所述接收设备62之间的无线通信性能。

当配置有本实施例所述天线装置的智能通信终端处于空旷的传输环境时，如图7所示的空旷环境时，控制所述开关342闭合，使螺旋天线13的末端132通过软导线341、开关342、全向天线匹配电路35与PCB基板10的参考地良好接通，从而将天线装置由定向天线形式切换至LOOP全向天线形式，形成如图5所示的全向辐射磁场，以满足智能通信终端与一台或多台设备之间的多路径同时链接的要求。

当然，将螺旋天线13的末端接地，以实现天线形式由定向天线到LOOP全向天线转变的方式还有很多种，本发明并不仅限于以上举例。

本发明的天线装置在原有螺旋天线的基础上，通过在螺旋天线的末端增加接地连接器和相应的阻抗匹配电路，从而使得天线装置在原有自谐振频率不变的基础上，实现了天线装置由定向天线到LOOP全向天线的重构设计，以切换天线形式的方式实现了智能通信终端在不特定磁场环境下的天线择优兼容设计。

当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可重构天线装置，其特征在于，包括：

螺旋天线，其作为定向天线，形成定向辐射磁场；

定向天线匹配电路，其连接螺旋天线的信号馈点，用于调节所述螺旋天线的谐振频率；

连接器，其用于在改变天线形式时，将所述螺旋天线与参考地连通，以将天线形式从定向天线形式转变成LOOP全向天线形式。

2.根据权利要求1所述的可重构天线装置，其特征在于，在所述连接器中设置有金属导电柱，所述金属导电柱的底端与参考地连通，顶端用于与所述螺旋天线接触；

在需要天线装置定向辐射时，所述螺旋天线与所述金属导电柱分离；

在需要天线装置全向辐射时，将所述螺旋天线与所述金属导电柱的顶端接触，使所述螺旋天线与参考地连通，形成LOOP全向天线。

3.根据权利要求2所述的可重构天线装置，其特征在于，所述螺旋天线可根据所需要的极化方向旋转，在旋转至特定位置时，其末端刚好与金属导电柱的顶端接触连通，形成LOOP全向天线。

4.根据权利要求2或3所述的可重构天线装置，其特征在于，还包括：

全向天线匹配电路，其连接在所述金属导电柱的底端与参考地之间，用于调节所述LOOP全向天线的谐振频率。

5.根据权利要求1所述的可重构天线装置，其特征在于，在所述连接器中设置有：

金属导电柱，其顶端与所述螺旋天线的末端固定连接；

开关，其连接在所述金属导电柱的底端与参考地之间，通过改变其通断状态以控制所述金属导电柱与参考地连通或者断开。

6.根据权利要求5所述的可重构天线装置，其特征在于，在所述连接器中还设置有：

全向天线匹配电路，其连接在所述开关与参考地之间，当所述螺旋天线通过金属导电柱、开关与参考地连通形成LOOP全向天线时，用于调节所述LOOP全向天线的谐振频率。

7.根据权利要求1所述的可重构天线装置，其特征在于，在所述连接器中设置有：

软导线，其一端连接所述螺旋天线的末端；

开关，其连接在所述软导线的另一端与参考地之间，通过改变其通断状态以控制所述软导线与参考地连通或者断开。

8.根据权利要求7所述的可重构天线装置，其特征在于，在所述连接器中还设置有：

全向天线匹配电路，其连接在所述开关与参考地之间，当所述螺旋天线通过所述软导线、开关与参考地连通形成LOOP全向天线时，用于调节所述LOOP全向天线的谐振频率。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的可重构天线装置，其特征在于，所述开关为有源开关，根据接收到的控制信号改变其自身的通断状态。

10.一种智能通信终端，设置有信号源，其特征在于，还设置有如权利要求1至9中任一项所述的可重构天线装置，所述信号源连接所述的定向天线匹配电路。