CN108987949B - 一种可重构辐射模式的天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及物联网领域的天线系统配置技术，其公开了一种可重构辐射模式的天线系统，解决传统物联网天线系统采用全向辐射模式存在的连接距离受限，而采用波束成形技术增加天线方向性方案存在的引入额外的插入损耗，增加系统成本的问题。该天线系统包括位于接地平面上的驱动元件和寄生元件组；所述寄生元件组包括分布于驱动元件周围的寄生元件，且每一个寄生元件由上下两部分组成，上部分和下部分之间以及下部分与接地平面之间均采用可控开关连接。本发明适用于物联网领域需要布置无线系统的场景。

Description

一种可重构辐射模式的天线系统
技术领域
本发明涉及物联网领域的天线系统配置技术，具体涉及一种可重构辐射模式的天线系统。
背景技术
随着物联网的技术的发展，越来越多的联网设备融入到社会日常生产活动中。相比有线通信来说，无线通信由于具有不需要布线，组网方便的优势在物联网领域更受用户青睐。
目前，全向天线(如单极天线)是大多数物联网无线系统最常用的天线解决方案。这种天线的全向辐射模式局限了整个物联网系统的连接距离。物联网无线系统的另一种选择是通过在阵列天线中使用波束成形技术来增加天线的方向性来增加传输距离。这种技术通过控制馈送到天线阵列中的每个元件的信号的幅度和相位以获得不同形状的辐射图案。但是这种技术所采用的移相器和放大器会引入额外的插入损耗，并增加了系统的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种可重构辐射模式的天线系统，解决传统物联网天线系统采用全向辐射模式存在的连接距离受限，而采用波束成形技术增加天线方向性方案存在的引入额外的插入损耗，增加系统成本的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种可重构辐射模式的天线系统，包括位于接地平面上的驱动元件和寄生元件组；所述寄生元件组包括分布于驱动元件周围的寄生元件，且每一个寄生元件由上下两部分组成，上部分和下部分之间以及下部分与接地平面之间均采用可控开关连接。
在本方案中，采用由通过可控开关连接的上、下两部分组成的寄生元件，并通过可控开关连接接地平面，从而可以通过控制与接地平面连接的可控开关实现寄生元件的开/关，并可以通过控制上下两部分之间的可控开关调节寄生元件的长度；由此可以根据实际需求选择不同分布位置的寄生元件形成反射子或导向子，从而获得不同的辐射模式，控制天线辐射的方向性，延长通信距离，也未产生额外的插入损耗，同时能够节约系统成本。
作为进一步优化，所述寄生元件组包括至少两组分布于驱动元件周围的寄生元件，所述至少两组寄生元件呈前后对应设置。
在本方案中，采用多组呈前后对应设置的寄生元件可以获得更多的导向子或反射子，从而获得更多的方向性和增益。
作为进一步优化，所述寄生元件组包括两组寄生元件，所述接地平面为方形接地平面，所述驱动元件设置于方形接地平面中心，所述两组寄生元件呈前后对应设置在方形接地平面的对角线上，由驱动元件到第一组寄生元件的距离为0.125λ0，由驱动元件到第二组寄生元件的距离为0.25λ0，λ0表示自由空间波长。
在本方案中，为了同时兼顾增益和成本，采用两组寄生元件，而考虑到电磁波在空间传送及反射的特性，为了减小噪声干扰和能量损耗，获得最大增益，特设置两组寄生元件在方形接地屏幕的对角线上，并设置驱动元件到第一组寄生元件和第二组寄生元件的上述距离。
作为进一步优化，所述驱动元件为折叠偶极子天线，采用折叠偶极子天线作为驱动元件，具有增益高、频率覆盖宽、噪声低的优点。
作为进一步优化，所述可控开关为流体开关，采用流体开关，相比于其它电子开关可以降低系统成本，并且设计也更简单。
作为进一步优化，所述流体开关为外置式三维打印流体开关或中心导通式流体开关，采用这两种流体开关可以更加简便地实现寄生元件的控制，降低成本。
本发明的有益效果是：采用由通过可控开关连接的上、下两部分组成的寄生元件，并通过可控开关连接接地平面，从而可以通过控制与接地平面连接的可控开关实现寄生元件的开/关，并可以通过控制上下两部分之间的可控开关调节寄生元件的长度；由此可以根据实际需求选择不同分布位置的寄生元件形成反射子或导向子，从而获得不同的辐射模式，控制天线辐射的方向性，延长通信距离，也未产生额外的插入损耗，同时能够节约系统成本，特别是采用流体开关作为可控开关，实现简便，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例中的可重构辐射模式的天线系统结构示意图；
图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)分别为天线系统最大辐射方向为上、下、左、右时的辐射图案示意图；
图3为多个导向子接通时的系统方位角辐射示意图；
图4为多个反射子接通时的系统方位角辐射示意图；
图5为通过切换不同的寄生元件作为导向子和反射子来抑制辐射模式示意图；
图6(a)、6(b)分别为连接寄生元件上下部分的外置式三维打印流体开关和连接寄生元件下部分与接地平面的外置式三维打印流体开关的应用示意图；
图7为中心导通式流体开关的应用示意图；
图中，1为驱动元件；
Figure BDA0001744198670000021
为寄生元件下部，
Figure BDA0001744198670000022
为下部流体开关(寄生元件下部与接地平面连接的流体开关)；10a为外置式三维打印流体开关入口，10b外置式三维打印流体开关出口；
Figure BDA0001744198670000023
为上部流体开关(寄生元件上部与下部连接的流体开关)，18a为中心导通式流体开关入口，18b为中心导通式流体开关出口；
Figure BDA0001744198670000031
为寄生元件上部；34为接地平面。
具体实施方式
本发明旨在提出一种可重构辐射模式的天线系统，解决传统物联网天线系统采用全向辐射模式存在的连接距离受限，而采用波束成形技术增加天线方向性方案存在的引入额外的插入损耗，增加系统成本的问题。该天线系统，包括位于接地平面上的驱动元件和寄生元件组；所述寄生元件组包括分布于驱动元件周围的寄生元件，且每一个寄生元件由上下两部分组成，上部分和下部分之间以及下部分与接地平面之间均采用可控开关连接。
在本发明中，采用由通过可控开关连接的上、下两部分组成的寄生元件，并通过可控开关连接接地平面，从而可以通过控制与接地平面连接的可控开关实现寄生元件的开/关，并可以通过控制上下两部分之间的可控开关调节寄生元件的长度；由此可以根据实际需求选择不同分布位置的寄生元件形成反射子或导向子，从而获得不同的辐射模式，控制天线辐射的方向性，延长通信距离，也未产生额外的插入损耗，同时能够节约系统成本，特别是采用流体开关作为可控开关，实现简便，成本低。
下面结合附图及实施例对本发明的方案做进一步的描述。
实施例：
如图1所示，本实施例中，驱动元件1和寄生元件均位于接地平面34上，驱动元件1位于方形接地平面34中心，寄生元件分布于驱动元件四周；其中驱动元件1采用折叠偶极子天线，采用折叠偶极子天线作为驱动元件1，具有增益高、频率覆盖宽、噪声低的优点。
为了同时兼顾增益和成本，本实施例中寄生元件有两组，而考虑到电磁波在空间传送及反射的特性，为了减小噪声干扰和能量损耗，获得最大增益，将两组寄生元件呈前后对应设置在方形接地平面1的对角线上，由驱动元件1到第一组寄生元件的距离为0.125λ0，由驱动元件1到第二组寄生元件的距离为0.25λ0，λ0表示自由空间波长。每个寄生元件由上、下两部分组成，上部分
Figure BDA0001744198670000032
与下部分
Figure BDA0001744198670000033
之间通过上部流体开关
Figure BDA0001744198670000034
相连；下部分
Figure BDA0001744198670000035
与接地平面34之间通过下部流体开关
Figure BDA0001744198670000036
相连。
本实施例中，可以通过控制下部流体开关
Figure BDA0001744198670000037
的开/关来开启或关断寄生元件，通过控制上部流体开关
Figure BDA0001744198670000038
的开/关来调节寄生元件的长度，通过调节寄生元件的长度来改变寄生元件的操作特性，即在寄生元件开启的情况下，若上部流体开关
Figure BDA0001744198670000039
开启，则该寄生元件形成反射子，若上部流体开关
Figure BDA00017441986700000310
关闭，则该寄生元件形成导向子。
基于上述系统，可以根据需求通过控制不同位置的寄生元件的上部流体开关
Figure BDA0001744198670000042
和下部流体开关
Figure BDA0001744198670000041
来设置寄生元件为反射子或导向子，从而将天线系统的最大辐射方向切换至预定义方向，以延长通信距离；如图2(a)所示，当最上方的寄生元件开启并经流体开关设定为导向子，而最下方的寄生元件开启并经流体开关设定成反射子，此设置会将最大辐射方向由本来的全向辐射，重置为最大辐射方向向上。同理，也可以通过其它方向的寄生元件的设置，将最大辐射方向重置为向下、向左、向右，分别如图2(b)、2(c)和2(d)所示。
此外，上述系统在实际应用时，还可以开启一个方向上的多个导向子，能有效将电磁波从其它方向引导至指定方向，从而获得更高的方向性和增益。如图3所示，将左方两个寄生元件设置为导向子，将最右方的一个寄生元件设置为反射子，可以获得最大辐射向左方更高的方向性和增益。
同样，上述系统在实际应用时，也可以开启一个方向上的多个反射子，来减小背向辐射。如图4所示，将最左方的寄生元件设置为导向子，将右方的两个寄生元件设置为反射子，可以减小右方的背向辐射。
并且，上述系统在实际应用时，还可以通过切换不同位置的寄生元件作为导向子或反射子，来获得不同的辐射模式。如图5所示，其为将最左方的寄生元件设置为导向子，将最上方、最下方和最右方的寄生元件设置为反射子获得的辐射模式。获得不同形状的辐射方向可以更灵活地实时自由调配射频信号强度，更有效率地运用有限的电力资源及加强保密程度，这对物联网及网状网络应用有极大的好处。
本实施例中采用流体开关相比于其它的电子开关可以降低系统成本，并且设计也更简单，在具体实现上，可以采用外置式三维打印流体开关或中心导通式流体开关。如图6(a)和6(b)所示，对于外置式三维打印流体开关，可以按照寄生元件的尺寸利用三维打印技术制造的用于连接寄生元件上、下两部分以及用于连接寄生元件下部分和接地平面流体开关外壳，开关外壳上有上、下分布的流体开关入口10a和10b；该流体开关使用微型泵或纳米泵将液态金属或离子水送到处于两导体之间的夹缝从而实现导通，将液态金属或离子水抽走时便可实现断开，由此实现整个寄生元件的导通或关断控制或者寄生元件的长度控制。
对于中心导通式流体开关如图7所示，可使用中空的金属微管道作为寄生元件，寄生元件上下两部及接地平面之间的两夹缝经流体开关连接微型泵或纳米泵则置于接地平面下方，流体开关入口18a和流体开关出口18b为接地平面下方的同一位置。当需要寄生元件开启或者上下两部分连接时，微型泵或纳米泵会按将液态金属或离子水沿中空微管道送上适当高度，当需要断开时，再将液态金属或离子水沿中空微管道抽走即可。
需要说明的是，除上述实施例中的最大辐射方向可以预定义为上、下、左、右四个方向之外，将寄生元件设置在驱动元件的不同方向，并设置不同位置的驱动元件的操作特性(设置为反射子或导向子)可以实现任意方向的最大辐射方向预定义，从而获得不同的辐射模式，满足不同场景下的信号传输需求。

Claims (3)

1.一种可重构辐射模式的天线系统，其特征在于，包括位于接地平面上的驱动元件和寄生元件组；所述寄生元件组包括至少两组分布于驱动元件周围的寄生元件，所述至少两组寄生元件呈前后对应设置，且每一个寄生元件由上下两部分组成，上部分和下部分之间以及下部分与接地平面之间均采用可控开关连接；通过控制与接地平面连接的可控开关实现寄生元件的开/关，并通过控制上下两部分之间的可控开关调节寄生元件的长度，从而根据实际需求选择不同分布位置的寄生元件形成反射子或导向子，从而获得不同的辐射模式；
所述可控开关为流体开关，所述流体开关为外置式三维打印流体开关或中心导通式流体开关；
对于外置式三维打印流体开关，按照寄生元件的尺寸利用三维打印技术制造的用于连接寄生元件上、下两部分以及用于连接寄生元件下部分和接地平面流体开关外壳，开关外壳上有上、下分布的流体开关入口；该流体开关使用微型泵或纳米泵将液态金属或离子水送到处于两导体之间的夹缝从而实现导通，将液态金属或离子水抽走时便可实现断开，由此实现整个寄生元件的导通或关断控制或者寄生元件的长度控制；
对于中心导通式流体开关，使用中空的金属微管道作为寄生元件，寄生元件上下两部及接地平面之间的两夹缝经流体开关连接微型泵或纳米泵则置于接地平面下方，流体开关入口和流体开关出口为接地平面下方的同一位置，当需要寄生元件开启或者上下两部分连接时，微型泵或纳米泵会按将液态金属或离子水沿中空微管道送上适当高度，当需要断开时，再将液态金属或离子水沿中空微管道抽走即可。
2.如权利要求1所述的一种可重构辐射模式的天线系统，其特征在于，所述寄生元件组包括两组寄生元件，所述接地平面为方形接地平面，所述驱动元件设置于方形接地平面中心，所述两组寄生元件呈前后对应设置在方形接地平面的对角线上，由驱动元件到第一组寄生元件的距离为0.125λ0，由驱动元件到第二组寄生元件的距离为0.25λ0，λ0表示自由空间波长。
3.如权利要求1所述的一种可重构辐射模式的天线系统，其特征在于，所述驱动元件为折叠偶极子天线。
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