CN108649326B - 一种极化可重构天线、重构方法及mimo系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极化可重构天线、重构方法及MIMO系统，包括第一水平振子、第二水平振子、第一垂直振子和第二垂直振子，第一水平振子通过一第一二极管开关连接于第一馈电点，第二水平振子通过一第二二极管开关连接于第二馈电点，第一垂直振子通过一第三二极管开关连接于所述第一馈电点，第二垂直振子通过一第四二极管开关连接于所述第二馈电点，第一二极管开关、第二二极管开关、第三二极管开关和第四二极管开关均连接于用于控制各个二极管开关通断的信号收发控制模块。本发明通过信号收发控制模块直接控制各个二极管的通断，能够根据系统的发射和接收状态灵活变换天线的极化方式。

Description

一种极化可重构天线、重构方法及MIMO系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种极化可重构天线、重构方法及MIMO系统。
背景技术
现今用于家用路由器中的天线都以垂直线极化为主，垂直极化波在传播过程中衰减较水平极化小。这个特性在路由器作为发射端的时候比较明显，可以使终端获得更强的接收信号强度；但是当路由器作为接收端时，由于终端设备天线位置的不固定性，以及来波信号经过反射、散射和折射后会形成交叉极化的电磁波导致路由的接收信号强度大大衰减，影响终端的网络通信，由上可知，单一的垂直极化天线不能满足要求。
为了解决上述技术问题，人们进行了长期的探索，例如中国专利公开了一种基于固体等离子体的极化可重构天线[申请号：CN201710707437.2]，包括：馈线和射频接头，其特征在于还包括：固体等离子体发生器阵列、衬底基片、偏置电极、支柱和金属底座；所述固体等离子体发生器阵列由多个固体等离子体发生器呈辐射状排布或多个同心圆环状排布或两种排布方式相结合而成；所述支柱为上下端开口的壳体结构，衬底基片为带有多个通孔的板状结构，衬底基片盖在支柱的上端口并固定；固体等离子体发生器阵列安装在衬底基片上表面，固体等离子体发生器阵列下方连接有多个偏置电极，多个偏置电极对应穿过衬底基片上的通孔并深入支柱的腔体内；支柱下端固定在金属底座上；馈线位于支柱腔体内部，馈线上端穿过衬底基片焊接在固体等离子体发生器阵列上，下端与固定在金属底座下方的射频接头焊接；基于固体等离子体的极化可重构天线工作时，基于固体等离子体的宽带变频天线的信号从射频接头传输到馈线；通过对不同数量组合的偏置电极施加电压，使相应长度的固体等离子体器件导通工作，形成不一样响应频率的固体等离子体辐射形态；从而通过不同工作状态的固体等离子体器件实现将信号转换成不同频率的电磁波辐射出去。
上述方案采用固体等离子体器件通过外加电压激励的方式实现具有辐射能力的固体等离子体，从而形成不同极化形态的天线。满足接收和发射需要，保证在接收状态下的信号，但是仍然存在结构过于复杂，在路由系统中实用性不强等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种极化可重构天线；
本方案的另一目的是提供一种极化可重构天线的重构方法；
本方案的另一目的是提供一种应用可重构天线的MIMO系统。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本发明的极化可重构天线，包括第一水平振子、第二水平振子、第一垂直振子和第二垂直振子，所述第一水平振子通过一第一二极管开关连接于第一馈电点，所述第二水平振子通过一第二二极管开关连接于第二馈电点，所述第一垂直振子通过一第三二极管开关连接于所述第一馈电点，所述第二垂直振子通过一第四二极管开关连接于所述第二馈电点，所述第一二极管开关、第二二极管开关、第三二极管开关和第四二极管开关均连接于用于控制各个二极管开关通断的信号收发控制模块。
所述第一二极管开关、第二二极管开关、第三二极管开关(31)和第四二极管开关均为PIN二极管。
在上述的极化可重构天线中，所述信号收发控制模块为本极化可重构天线所在系统的原有模块，用于在所述系统具有发射控制信号时，控制第一二极管开关和第二二极管开关断开，第三二极管开关和第四二极管开关导通，形成垂直极化天线；所述信号收发控制模块用于在所述系统具有接收控制信号时，控制第三二极管开关和第四二极管开关断开，第一二极管开关和第二二极管开关导通，形成水平极化天线。
在上述的极化可重构天线中，所述第一水平振子通过第一磁环连接至第一直导线，第二水平振子通过第二磁环连接至第二直导线，且所述第一直导线和第二直导线均连接于信号收发控制模块的接收使能端，由信号收发控制模块的接收使能信号控制所述第一直导线和第二直导线。
在上述的极化可重构天线中，所述第一垂直振子通过第三磁环连接至第三直导线，第二垂直振子通过第四磁环连接至第四直导线，且所述第三直导线和第四直导线均连接于信号收发控制模块的发射使能端，由信号收发控制模块的发射使能信号控制所述第三直导线和第四直导线。
在上述的极化可重构天线中，所述第一馈电点通过第五磁环连接至接地端，所述第二馈电点通过第六磁环连接至接地端；
所述第一馈电点连接于馈线芯线，所述第二馈电点连接于馈线编织层，所述馈线芯线设置在馈线编织层的周向内侧，且馈线芯线自馈线编织层的一端向外侧延伸至所述第一馈电点。
在上述的极化可重构天线中，所述第一水平振子和第二水平振子分别包括一个或多个天线振子，且第一水平振子和第二水平振子具有相同或者不同数量的天线振子；所述第一垂直振子和第二垂直振子分别包括一个或多个天线振子，且所述第一垂直振子和第二垂直振子具有相同或者不同数量的天线振子。
一种MIMO系统，包括信号收发控制模块，将所述MIMO系统中的一个或多个天线由权利要求1-6任意一项所述的极化可重构天线替代。
在上述的MIMO系统中，将所述MIMO系统中与其他天线间隔距离最小的天线采用所述极化可重构天线代替。
在上述的MIMO系统中，所述第一馈电点通过第五磁环连接至MIMO系统的接地端，第二馈电点通过第六磁环连接至MIMO系统的接地端；
所述第一直导线和第二直导线连接于MIMO系统的接收使能信号端，由MIMO系统的接收使能信号控制，第三直导线和第四直导线连接于MIMO系统的发射使能信号端，由MIMO系统的发射使能信号控制。
一种极化可重构天线的重构方法，包括：
当具有发射控制信号时，控制第一二极管开关和第二二极管开关关闭，同时控制第三二极管开关和第四二极管开关打开，形成垂直极化天线；
当具有接收控制信号时，控制第三二极管开关和第四二极管开关关闭，同时控制第一二极管开关和第二二极管开关打开，形成水平极化天线。
本发明相较于现有技术具有以下优点：1、利用系统中原有的发射接收控制信号，控制二极管开关的通断，能够更好地实现系统收发与天线极化方式的同步；2、使用二极管开关辅助重构天线极化方式，具有简单的结构，且易于实现等优点；3、将极化可重构天线应用于MIMO系统中，实现MIMO系统天线间极化隔离，有利于提高系统接收性能，同时不影响其发送性能；4、能够根据系统的发射和接收状态灵活变换天线的极化方式。
附图说明
图1是本发明实施例一中极化可重构天线的结构示意图；
图2是图1中A部分的放大图；
图3是本发明实施例二的原理框图。
附图标记：第一水平振子1；第二水平振子2；第一垂直振子3；第二垂直振子4；第一二极管开关11；第二二极管开关21；第三二极管开关31；第四二极管开关41；第一馈电点12；第二馈电点22；第一磁环13；第二磁环23；第三磁环33；第四磁环43；第五磁环53；第六磁环63；第一直导线14；第二直导线24；第三直导线34；第四直导线44；馈线芯线15；馈线编织层16；信号收发控制模块6。
具体实施方式
虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。当一个单元被称为“连接”或“耦合”到另一单元时，其可以直接连接或耦合到所述另一单元，或者可以存在中间单元。
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
本发明的极化可重构天线、重构方法及MIMO系统，主要应用于天线系统，尤其适用于路由器的天线系统中，解决了现有技术的路由器在作为接收端时，由于终端设备天线位置的不固定性，以及来波信号经过反射、散射和折射后会形成交叉极化的电磁波，影响路由器与终端设备之间的通信等问题，以下是本发明的优选实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明不限于这些实施例。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例以半波偶极子天线为基础，在FR4介质板上进行实现，以具体说明本发明的极化可重构天线，本极化可重构天线包括第一水平振子1、第二水平振子2、第一垂直振子3和第二垂直振子4，且第一水平振子1通过一第一二极管开关11连接于第一馈电点12，第二水平振子2通过一第二二极管开关21连接于第二馈电点22，所述第一垂直振子3通过一第三二极管开关31连接于所述第一馈电点12，所述第二垂直振子4通过一第四二极管开关41连接于所述第二馈电点22。
这里的第一水平振子1、第二水平振子2、第一垂直振子3和第二垂直振子4均通过各自对应二极管开关的连通过关断来形成垂直极化天线或水平极化天线。例如，当第一二极管开关11和第二二极管开关21断开，第三二极管开关31和第四二极管开关41导通的时候，本极化可重构天线就形成垂直极化天线；而当第一二极管开关11和第二机关导通，第三二极管开关31和第四二极管开关41关断的时候，本极化可重构天线形成水平极化天线。
并且，这里的第一二极管开关11、第二二极管开关21、第三二极管开关31和第四二极管开关41均采用PIN二极管，PIN二极管正向直流偏置时对微波信号呈近似短路状态，当PIN二极管反向偏置时对微波信号呈近似开路状态。PIN二极管具有控制速度快、损耗小、功率容量大、线性好等优点，能够用较小的控制电流实现对较大功率微波信号的控制。
进一步地，如图3所示，这里的第一二极管开关11、第二二极管开关21、第三二极管开关31和第四二极管开关41均连接于用于控制各个二极管开关通断的信号收发控制模块6，由信号收发控制模块6控制第一二极管开关11、第二二极管开关21、第三二极管开关31和第四二极管开关41的通断，也就是说，由信号收发控制模块6来控制本极化可重构天线形成水平极化天线或垂直极化天线。
进一步地，所述信号收发控制模块6为本极化可重构天线线索在系统的原有模块，信号收发控制模块6用于在所述系统，如路由系统具有发射控制信号时，也就是在本可重构极化天线所在的路由器作为发射端时，控制第一二极管开关11和第二二极管开关21断开，第三二极管开关31和第四二极管开关41导通，形成垂直极化天线，直接通过发射控制信号控制第一二极管开关11和第二二极管开关21的断开，以及控制第三二极管开关31和第四二极管开关41的导通。
同样地，所述信号收发控制模块6在本极化可重构天线所在系统，例如路由系统具有接收控制信号时，也就是可重构极化天线所在的路由器作为接收端时，控制第三二极管开关31和第四二极管开关41断开，第一二极管开关11和第二二极管开关21导通，形成水平极化天线，实现直接通过接收控制信号控制第一二极管开关11和第二二极管开关21导通，第三二极管开关31和第四二极管开关41关断。
这里的接收控制信号和发射控制信号均为路由系统中原有的信号，因此不需要额外控制信号，能够直接根据路由系统的控制信号实现天线极化方式的切换。
进一步地，第一水平振子1通过第一磁环13连接至第一直导线14，第二水平振子2通过第二磁环23连接至第二直导线24，且所述第一直导线14和第二直导线24均连接于信号收发控制模块6的接收使能端，由信号收发控制模块6的接收使能信号控制所述第一直导线14和第二直导线24。
同样地，所述第一垂直振子3通过第三磁环33连接至第三直导线34，第二垂直振子4通过第四磁环43连接至第四直导线44，且所述第三直导线34和第四直导线44均连接于信号收发控制模块6的发射使能端，由信号收发控制模块6的发射使能信号控制所述第三直导线34和第四直导线44。
这里的第一磁环13、第二磁环23、第三磁环33和第四磁环43均为电感元件。
进一步地，本实施例的第一馈电点12通过第五磁环53连接至接地端，第二馈电点22通过第六磁环63连接至接地端；且第一馈电点12连接于馈线芯线15，第二馈电点22连接于馈线编织层16，所述馈线芯线15设置在馈线编织层16的周向内侧，且馈线芯线15自馈线编织层16的一端向外侧延伸至所述第一馈电点12。
具体地，第一水平振子1和第二水平振子2分别包括一个或多个天线振子，且第一水平振子1和第二水平振子2具有相同或者不同数量的天线振子；所述第一垂直振子3和第二垂直振子4分别包括一个或多个天线振子，且所述第一垂直振子3和第二垂直振子4具有相同或者不同数量的天线振子。且第一水平振子1、第二水平振子2、第一垂直振子3和第二垂直振子4的天线振子数量根据具体需要确定。
本实施例利用路由系统中原有的发射接收控制信号，控制PIN二极管开关的通断，能够更好地实现系统收发与天线极化方式的同步。
实施例二
如图3所示，本实施例公开了一种MIMO系统，将本发明的极化可重构天线应用于MIMO系统中，MIMO系统内具有多个天线，这里可以将MIMO系统中的一个或多个天线用实施例一种的极化可重构天线替代。MIMO系统包括有实施例一所述的信号收发控制模块6在现有技术中，当MIMO系统作为发射端时，信号收发控制模块6会生成或接收到一个发射控制信号，该发射控制信号只用于通知MIMO系统作为发射端使用以向终端设备发送信息；同样地，当MIMO系统作为接收端时，信号收发控制模块6会生成或接收一个接收控制信号，该接收控制信号只用于通知MIMO系统准备接收终端设备发送过来的信息。
但是本实施例，通过使用极化可重构天线，信号收发控制模块6同时连接于极化可重构天线的第一二极管开关11、第二二极管开关21、第三二极管开关31或第四二极管开关41，在具有接收控制信号的时候，信号收发控制模块6同时控制第一二极管开关11和第二二极管开关21打开，控制第三二极管和第四二极管开关41关闭，形成水平极化天线；在具有发送控制信号的时候，信号收发控制模块6同时控制第一二极管开关11和第二二极管开关21关闭，控制第三二极管和第四二极管打开，形成垂直极化天线。通过MIMO系统中控制收发的信号同时控制各个二极管开关，实现天线极化可重构天线极化方式的切换。
作为优选方案，将MIMO系统中与其他天线间隔距离最小的天线采用所述极化可重构天线代替。一般MIMO系统中与其他天线间隔距离最小的天线即MIMO系统的中间天线，将中间天线用极化可重构天线代替以后，当MIMO系统所在终端作为接收端时，有利于提高天线间的隔离度。
进一步地，所述第一馈电点12通过第五磁环53连接至MIMO系统的接地端，第二馈电点22通过第六磁环63连接至MIMO系统的接地端；所述第一直导线14和第二直导线24连接于MIMO系统的接收使能信号端，由MIMO系统的接收使能信号控制，第三直导线34和第四直导线44连接于MIMO系统的发射使能信号端，由MIMO系统的发射使能信号控制。
实施例三
本实施例公开了极化可重构天线的重构方法，下面以MIMO系统为例进行说明，包括：
当信号收发控制模块6接收到或生成发射控制信号时，控制第一二极管开关11和第二二极管开关21关闭，同时控制第三二极管开关31和第四二极管开关41打开，形成垂直极化天线；
当信号收发控制模块6接收到或生成接收控制信号时，控制第三二极管开关31和第四二极管开关41关闭，同时控制第一二极管开关11和第二二极管开关21打开，形成水平极化天线。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
此外，尽管本文较多地使用了第一水平振子1；第二水平振子2；第一垂直振子3；第二垂直振子4；第一二极管开关11；第二二极管开关21；第三二极管开关31；第四二极管开关41；第一馈电点12；第二馈电点22；第一磁环13；第二磁环23；第三磁环33；第四磁环43；第五磁环53；第六磁环63；第一直导线14；第二直导线24；第三直导线34；第四直导线44；馈线芯线15；馈线编织层16；信号收发控制模块6等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种极化可重构天线，其特征在于，包括第一水平振子(1)、第二水平振子(2)、第一垂直振子(3)和第二垂直振子(4)，所述第一水平振子(1)通过一第一二极管开关(11)连接于第一馈电点(12)，所述第二水平振子(2)通过一第二二极管开关(21)连接于第二馈电点(22)，所述第一垂直振子(3)通过一第三二极管开关(31)连接于所述第一馈电点(12)，所述第二垂直振子(4)通过一第四二极管开关(41)连接于所述第二馈电点(22)，所述第一二极管开关(11)、第二二极管开关(21)、第三二极管开关(31)和第四二极管开关(41)均连接于用于控制各个二极管开关通断的信号收发控制模块(6)；
所述信号收发控制模块(6)为本极化可重构天线所在系统的原有模块，用于在所述系统具有发射控制信号时，控制第一二极管开关(11)和第二二极管开关(21)断开，第三二极管开关(31)和第四二极管开关(41)导通，形成垂直极化天线；所述信号收发控制模块(6)用于在所述系统具有接收控制信号时，控制第三二极管开关(31)和第四二极管开关(41)断开，第一二极管开关(11)和第二二极管开关(21)导通，形成水平极化天线。
2.根据权利要求 1所述的极化可重构天线，其特征在于，所述第一二极管开关(11)、第二二极管开关(21)、第三二极管开关(31)和第四二极管开关(41)均为PIN二极管。
3.根据权利要求 2所述的极化可重构天线，其特征在于，所述第一水平振子(1)通过第一磁环(13)连接至第一直导线(14)，第二水平振子(2)通过第二磁环(23)连接至第二直导线(24)，且所述第一直导线(14)和第二直导线(24)均连接于信号收发控制模块(6)的接收使能端，由信号收发控制模块(6)的接收使能信号控制所述第一直导线(14)和第二直导线(24)；
所述第一垂直振子(3)通过第三磁环(33)连接至第三直导线(34)，第二垂直振子(4)通过第四磁环(43)连接至第四直导线(44)，且所述第三直导线(34)和第四直导线(44)均连接于信号收发控制模块(6)的发射使能端，由信号收发控制模块(6)的发射使能信号控制所述第三直导线(34)和第四直导线(44)。
4.根据权利要求 3所述的极化可重构天线，其特征在于，所述第一馈电点(12)通过第五磁环(63)连接至接地端，所述第二馈电点(22)通过第六磁环(63)连接至接地端；
所述第一馈电点(12)连接于馈线芯线(15)，所述第二馈电点(22)连接于馈线编织层(16)，所述馈线芯线(15)设置在馈线编织层(16)的周向内侧，且馈线芯线(15)自馈线编织层(16)的一端向外侧延伸至所述第一馈电点(12)。
5.根据权利要求 4所述的极化可重构天线，其特征在于，所述第一水平振子(1)和第二水平振子(2)分别包括一个或多个天线振子，且第一水平振子(1)和第二水平振子(2)具有相同或者不同数量的天线振子；所述第一垂直振子(3)和第二垂直振子(4)分别包括一个或多个天线振子，且所述第一垂直振子(3)和第二垂直振子(4)具有相同或者不同数量的天线振子。
6.一种MIMO系统，包括所述信号收发控制模块(6)，其特征在于，将所述MIMO系统中的一个或多个天线由权利要求1-5任意一项所述的极化可重构天线替代。
7.根据权利要求6所述的MIMO系统，其特征在于，将所述MIMO系统中与其他天线间隔距离最小的天线采用所述极化可重构天线代替。
8.根据权利要求6或7所述的MIMO系统，其特征在于，所述第一馈电点(12)通过第五磁环(53) 连接至MIMO系统的接地端，第二馈电点(22)通过第六磁环(63)连接至MIMO系统的接地端；
所述第一直导线(14)和第二直导线(24)连接于MIMO系统的接收使能信号端，由MIMO系统的接收使能信号控制，第三直导线(34)和第四直导线(44)连接于MIMO系统的发射使能信号端，由MIMO系统的发射使能信号控制。
9.一种极化可重构天线的重构方法，其特征在于，包括：
当系统具有发射控制信号时，控制第一二极管开关(11)和第二二极管开关(21)关闭，同时控制第三二极管开关(31)和第四二极管开关(41)打开，形成垂直极化天线；
当系统具有接收控制信号时，控制第三二极管开关(31)和第四二极管开关(41)关闭，同时控制第一二极管开关(11)和第二二极管开关(21)打开，形成水平极化天线。
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