CN108092007B - 一种波束切换智能天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波束切换智能天线，包括一个激励单元和四个寄生单元，一个激励单元和四个寄生单元均为站立式设置，激励单元立于中心，四个寄生单元立于激励单元四周，每一寄生单元与激励单元间的距离相等；激励单元为全向平面印刷偶极子天线；它包括印刷在激励介质基板上的激励上平面偶极子天线臂和激励下平面偶极子天线臂；寄生单元为寄生平面印刷偶极子天线，它由寄生偶极子天线的两臂以及焊接在该偶极子天线两臂中间的PIN二极管组成，波束切换智能天线通过改变不同寄生单元中的PIN二极管导通或断开的工作状态来改变激励单元的水平极化方向，使激励单元的带宽、增益和辐射方向发生变化，由原来的全向辐射转成定向辐射，实现天线系统的智能化。

Description

一种波束切换智能天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及工作在2.4GHz WLAN频段的一种基于波束切换的智能天线，具体地说是一种波束切换智能天线。
背景技术
传统的智能天线是由许多天线单元组成的阵列构成，通过优化调节各个阵元信号的加权幅度和相位来改变天线阵列的方向图主瓣方向，即将方向图主瓣（主要波束）指向期望用户方向，方向图零点位置对准干扰源方向，从而有效地增加天线增益和信干噪比，提高无线通信容量。
智能天线主要包括自适应天线和波束切换智能天线，其中波束切换智能天线具有结构简单、功耗低、响应迅速、稳定性高等特点，适用于无线局域网（WLAN）中。对于设计波束切换智能天线，常用的经典方法之一是采用相控阵天线，然而相控阵天线需要大量的微波移相器，这使得设计天线时结构复杂，成本高，不适宜用于便携式无线终端设备中。所以设计一种结构简单、体积小、成本低的智能天线将成为智能天线设计领域的热点和难点，这将成为未来智能天线设计的方向和挑战，对未来5G天线的研究也具有重要意义。
发明内容
本发明目的是为解决应用于无线局域网WLAN中智能天线体积大，辐射效率低的问题，而提供天线体积小、带宽大、性能好，且能更好地应用于2.4GHz频段的无线局域网中的一种波束切换智能天线。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种波束切换智能天线，包括一个激励单元和四个结构相同的寄生单元，一个激励单元和四个寄生单元均为垂直于水平面的站立式设置，激励单元立于中心，四个寄生单元周向相距90度地环绕立于激励单元的四周，并且每一寄生单元与激励单元间的距离均相等；激励单元为印刷在激励介质基板上的全向平面印刷偶极子天线；该全向平面印刷偶极子天线包括印刷在激励介质基板上板面上的激励上平面偶极子天线臂和印刷在激励介质基板下板面上的激励下平面偶极子天线臂；寄生单元为印刷在寄生介质基板板面上的寄生平面印刷偶极子天线，该寄生平面印刷偶极子天线由两个组合成“工”字形结构的寄生偶极子天线臂以及焊接在该两寄生偶极子天线臂间PIN二极管组成，波束切换智能天线通过改变不同寄生单元中的PIN二极管导通或者断开的工作状态来改变放置在中心的激励单元的水平极化方向，使激励单元的带宽、增益和辐射方向发生变化，由原来的全向辐射转成定向辐射，实现天线系统的智能化。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的PIN二极管的型号为SMP1345-079LF， PIN二极管在导通时等效为接2Ω的电阻，PIN二极管在断开时等效为接0.2pF的电容。
上述的激励介质基板和寄生介质基板均为FR4介质基板(3)， FR4介质基板的体积为30mm×20mm×0.8mm。
两寄生偶极子天线的横向臂的长宽尺寸均为18mm×2.5mm，两寄生偶极子天线的纵向臂的长宽尺寸均为12mm×1mm；两横向臂的距离为25mm。
上述的寄生单元与激励单元间的距离26mm。
上述的激励上平面偶极子天线在激励介质基板上为呈带直角钩的“丁”字结构，激励下平面偶极子天线在激励介质基板上为呈带梯形钩的“丁”字结构。
四个寄生单元按逆时针方向依次包括第一寄生单元、第二寄生单元、第三寄生单元和第四寄生单元；相应地PIN二极管依次包括安装在第一寄生单元上的第一PIN二极管、安装在第二寄生单元上的第二PIN二极管、安装在第三寄生单元上的第三PIN二极管和安装在第四寄生单元上的第四PIN二极管。
上述的PIN二极管具有四种导通或者断开的工作状态，所述的四种导通或者断开的工作状态分别为：
第一PIN二极管断开，第二PIN二极管、第三PIN二极管和第四PIN二极管均为导通时的第一工作状态；第二PIN二极管断开，第一PIN二极管、第三PIN二极管和第四PIN二极管均为导通时的第二工作状态；第三PIN二极管断开，第一PIN二极管、第二PIN二极管和第四PIN二极管均为导通时的第三工作状态；第四PIN二极管断开，第一PIN二极管、第二PIN二极管和第三PIN二极管均为导通时的第四工作状态。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
第一：波束切换智能天线不需要大量的微波移相器，只需要用价格低廉的PIN二极管代替，而且采用的是SMP1345-079LF型号的PIN二极管，这种二极管插入损耗非常低（0.4dB），非常适合用于在无线局域网WLAN的无线切换应用中。
第二：波束切换智能天线的各个单元尺寸小，结构更紧凑，虽然激励单元和寄生单元均是立体放置，但仍适用于目前工作在2.4GHz的无线局域网WLAN中。
第三：波束切换智能天线虽然只覆盖2.4GHz的WLAN频段，但同样适用于2G/3G/4G通信标准频段，并且满足未来5G通信的应用，如作为5G候选频段的C波段，即3.4GHz-3.6GHz等，这对于研究未来5G天线有重要意义。
附图说明
图1是本发明的三维立体结构示意图；
图2是激励介质基板上层平面的上层铜质激励天线的示意图；
图3是激励介质基板下层平面的下层铜质激励天线的示意图；
图4是本发明寄生单元的平面结构示意图；
图5是PIN二极管在四种不同工作状态下激励单元的回波损耗图；
图6是本发明在第一工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图7是本发明在第二工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图8是本发明在第三工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图9是本发明在第四工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图10是PIN二极管在四种不同工作状态下激励单元的增益；
图11是PIN二极管在四种不同工作状态下激励单元的辐射效率。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的图1、图2、图3和图4中的附图标记为：激励单元1、激励上平面偶极子天线臂11、直角钩111、激励下平面偶极子天线臂12、带梯形钩121、寄生单元2、第一寄生单元21、第二寄生单元22、第三寄生单元23、第四寄生单元24、FR4介质基板3、激励介质基板31、寄生介质基板32、寄生偶极子天线臂4、横向臂41、纵向臂42、PIN二极管5、第一PIN二极管51、第二PIN二极管52、第三PIN二极管53、第四PIN二极管54。
本发明图5、图10和图11中的带有正方形黑点的线表示第一工作状态，带有圆形黑点的线表示第二工作状态，带有正三角形黑点的线表示第三工作状态，带有倒三角形黑点的线表示第四工作状态。
本发明针对现有技术中电子可引导无源阵列辐射器（ESPAR）天线体积大，辐射效率低的问题，而提供一种波束切换智能天线，该天线完全覆盖2.4GHz的WLAN频段，满足无线局域网（WLAN）天线体积小，带宽大的要求，并且利用天线阵列中天线方向图可以动态变化来增强天线的方向性，从而提高天线增益，实现天线智能化，使其成为智能天线。
如图1所示，本发明的一种波束切换智能天线，包括一个激励单元1和四个结构相同的寄生单元2，一个激励单元1和四个寄生单元2均采用垂直于水平面站立的方式设置，或者说是采用的立体式设置。激励单元1立于中心，四个寄生单元2周向相距90度地环绕立于激励单元1的四周，并且每一寄生单元2与激励单元1间的距离均相等，寄生单元2与激励单元1间的距离最佳优选为26mm。
从图1可以看出，本发明的激励单元1和寄生单元2都是印刷在介质基板上的。激励单元1为印刷在激励介质基板31上的全向平面印刷偶极子天线；该全向平面印刷偶极子天线包括印刷在激励介质基板31上板面上的激励上平面偶极子天线臂11和印刷在激励介质基板31下板面上的激励下平面偶极子天线臂12。寄生单元2为印刷在寄生介质基板32板面上的寄生平面印刷偶极子天线，寄生平面印刷偶极子天线由两个组合成“工”字形结构的寄生偶极子天线臂4以及焊接在两寄生偶极子天线臂4间PIN二极管5组成，波束切换智能天线通过改变不同寄生单元2中的PIN二极管5导通或者断开的工作状态来改变放置在中心的激励单元1的水平极化方向，使激励单元1的带宽、增益和辐射方向发生变化，由原来的全向辐射转成定向辐射，从而提高天线增益，实现天线系统的智能化。
本发明能通过改变焊接在寄生单元2中间的PIN二极管5的工作状态来改变放置在天线系统中心的激励单元1的水平极化方向，使激励单元的带宽、增益和辐射方向图都随之产生相应的变化，而获得更优的天线辐射方向图，带宽以及增益，从而达到天线系统的更好性能要求。
本发明的激励单元1的电压驻波比 VSWR<2，激励单元1在PIN二极管5不同工作状态下都能覆盖2.39GHz-2.57GHz。
实施例中，本发明PIN二极管5采用的型号为SMP1345-079LF二极管， PIN二极管5在导通时等效为接2Ω的电阻，PIN二极管5在断开时等效为接0.2pF的电容。
实施例中，本发明的激励介质基板31和寄生介质基板32均为FR4介质基板3， FR4介质基板3的体积为30mm×20mm×0.8mm。可以这样说本发明的激励上平面偶极子天线11、激励下平面偶极子天线12和寄生偶极子天线4都是蚀刻印刷在体积为30mm×20mm×0.8mm的FR4介质基板平面上的。
由图4可以看出，本发明两寄生偶极子天线4的横向臂41，也就是工字的横的长宽尺寸均为18mm×2.5mm，两寄生偶极子天线4的纵向臂42的长宽尺寸则均为12mm×1mm；两横向臂41的距离为25mm。两寄生偶极子天线4留有1mm焊接PIN二极管5。
本发明的激励上平面偶极子天线11、激励下平面偶极子天线12和寄生偶极子天线4的材质均为铜。
如图2和图3所示，激励上平面偶极子天线11在激励介质基板31上为呈带直角钩111的“丁”字结构，激励下平面偶极子天线12在激励介质基板31上为呈带梯形钩121的“丁”字结构。图2是激励上平面偶极子天线11在激励介质基板31上层平面上的结构示意图，激励上平面偶极子天线11的丁字横臂的长宽尺寸为17.5mm×2mm，激励上平面偶极子天线11的直角钩111的长宽尺寸为10mm×2mm，并且直角钩111上设有直径为1.3mm的上连接孔，
本发明的激励下平面偶极子天线12的丁字横臂的长宽尺寸也是17.5mm×2mm，激励下平面偶极子天线12的梯形钩121是顶长为1mm、底长为8mm、高为10mm的等腰梯形钩，该梯形钩121上制有与直角钩111的上连接孔相对应的下连接孔。
实施例中，本发明的四个寄生单元2按逆时针方向依次包括第一寄生单元21、第二寄生单元22、第三寄生单元23和第四寄生单元24；相应地PIN二极管5依次包括安装在第一寄生单元21上的第一PIN二极管51、安装在第二寄生单元22上的第二PIN二极管52、安装在第三寄生单元23上的第三PIN二极管53和安装在第四寄生单元24上的第四PIN二极管54。
本发明的PIN二极管5具有四种导通或者断开的工作状态。
图6是本发明第一PIN二极管51断开，第二PIN二极管52、第三PIN二极管53和第四PIN二极管54均为导通时的第一工作状态；
图7是本发明第二PIN二极管52断开，第一PIN二极管51、第三PIN二极管53和第四PIN二极管54均为导通时的第二工作状态；
图8是本发明第三PIN二极管53断开，第一PIN二极管51、第二PIN二极管52和第四PIN二极管54均为导通时的第三工作状态；
图9是本发明第四PIN二极管54断开，第一PIN二极管51、第二PIN二极管52和第三PIN二极管53均为导通时的第四工作状态。
从本发明的图6到图9可以看出PIN二极管5在不同工作状态时，激励单元1的S11（回波损耗），由S11可知本发明的波束切换智能天线完全覆盖了2.4GHz的WLAN频段（2400MHz -2483.5MHz）。
图6-图9分别给出了焊接在四个寄生单元2中的PIN二极管5工作在不同状态即导通ON或者断开OFF时激励单元1在xoy面的辐射方向图。由辐射方向图可见激励单元1具有波束切换功能。随着PIN二极管5工作在不同状态即导通ON或者断开OFF，激励单元1的最大辐射方向发生改变，从天线单元1原来的全向辐射变成定向辐射，实现天线系统智能化。
图10-图11分别给出了焊接在四个寄生单元2中的PIN二极管5工作在不同状态即导通ON或者断开OFF时激励单元1的增益和辐射效率，由增益图和辐射效率图可见PIN二极管5虽工作在不同状态下，但波束切换智能天线在带宽2.40GHz-2.56GHz范围内峰值增益都在3.5dB以上，辐射效率都在85%以上，所以本发明的波束切换智能天线具有良好的方向性和能量转换性能。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种波束切换智能天线，包括一个激励单元(1)和四个结构相同的寄生单元(2)，其特征是：一个所述的激励单元(1)和四个寄生单元(2)均为垂直于水平面的站立式设置，所述的激励单元(1)立于中心，四个所述的寄生单元(2)周向相距90度地环绕立于激励单元(1)的四周，并且每一所述的寄生单元(2)与激励单元(1)间的距离均相等；所述的激励单元(1)为印刷在激励介质基板(31)上的全向平面印刷偶极子天线；所述的全向平面印刷偶极子天线包括印刷在激励介质基板(31)上板面上的激励上平面偶极子天线臂(11)和印刷在激励介质基板(31)下板面上的激励下平面偶极子天线臂(12)；所述的寄生单元(2)为印刷在寄生介质基板(32)板面上的寄生平面印刷偶极子天线，所述的寄生平面印刷偶极子天线由两个组合成“工”字形结构的寄生偶极子天线(4)以及焊接在两寄生偶极子天线(4)间PIN二极管(5)组成，波束切换智能天线通过改变不同寄生单元(2)中的PIN二极管(5)导通或者断开的工作状态来改变放置在中心的激励单元(1)的水平极化方向，使激励单元(1)的带宽、增益和辐射方向发生变化，由原来的全向辐射转成定向辐射，实现天线系统的智能化；所述的激励上平面偶极子天线臂(11)在激励介质基板(31)上为呈带直角钩(111)的“丁”字结构，所述的激励下平面偶极子天线臂(12)在激励介质基板(31)上为呈带梯形钩(121)的“丁”字结构。
2.根据权利要求1所述的一种波束切换智能天线，其特征是：所述的PIN二极管(5)的型号为SMP1345-079LF，所述的PIN二极管(5)在导通时等效为接2Ω的电阻，PIN二极管(5)在断开时等效为接0.2pF的电容。
3.根据权利要求2所述的一种波束切换智能天线，其特征是：所述的激励介质基板(31)和寄生介质基板(32)均为FR4介质基板(3)，所述FR4介质基板(3)的体积为30mm×20mm×0.8mm。
4.根据权利要求3所述的一种波束切换智能天线，其特征是：两所述的寄生偶极子天线(4)的横向臂(41)的长宽尺寸均为18mm×2.5mm，两所述的寄生偶极子天线(4)的纵向臂(42)的长宽尺寸均为12mm×1mm；两横向臂(41)的距离为25mm。
5.根据权利要求4所述的一种波束切换智能天线，其特征是：所述的寄生单元(2)与激励单元(1)间的距离26mm。
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