CN109888513B - 天线阵列及无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种天线阵列以及无线通信设备。该天线阵列包括方向不同的至少两个定向天线。每个定向天线包括天线振子，反射器，连接所述天线振子的馈线，以及控制所述馈线的开关。所述天线振子为微带偶极天线振子。所述反射器为寄生微带天线振子。所述反射器的长度大于所述天线振子的长度。所述反射器的两侧向所述天线振子方向弯曲。任意两个定向天线的反射器的中点间的距离小于它们的天线振子的中点间的距离。由于天线阵列的反射器位于各定向天线的天线振子围成的图形的内侧，该天线阵列的尺寸小。

Description

天线阵列及无线通信设备
技术领域
本申请涉及通信领域，尤其涉及一种天线阵列以及无线通信设备。
背景技术
天线将电波指向特定方向可以提高抗干扰能力。由多个指向不同方向的定向天线组成的智能天线可改变其无线电收发方向。由于定向天线体积大，由多个指向不同方向的定向天线组成的智能天线难以小型化。
发明内容
本申请提供一种天线阵列以及无线通信设备，以实现小型化的智能天线。
第一方面，提供了一种天线阵列，包括第一定向天线和第二定向天线。所述第一定向天线和所述第二定向天线的方向不同。所述第一定向天线包括第一天线振子，第一反射器，连接所述第一天线振子的第一馈线，以及控制所述第一馈线的第一开关。所述第二定向天线包括第二天线振子，第二反射器，连接所述第二天线振子的第二馈线，以及控制所述第二馈线的第二开关。所述第一天线振子为微带偶极天线振子。所述第一天线振子的长度约为所述天线阵列的工作波长的一半。所述第一反射器为寄生微带天线振子。所述第一反射器的长度略大于所述第一天线振子的长度。所述第一反射器的中点到所述第一天线振子的距离约为所述工作波长的四分之一。所述第一反射器的两侧向所述第一天线振子方向弯曲。所述第二天线振子为微带偶极天线振子。所述第二天线振子的长度约为所述工作波长的一半。所述第二反射器为寄生微带天线振子。所述第二反射器的长度略大于所述第二天线振子的长度。所述第二反射器的中点到所述第二天线振子的距离约为所述工作波长的四分之一。所述第二反射器的两侧向所述第二天线振子方向弯曲。所述第一反射器的中点和所述第二反射器的中点间的距离小于所述第一天线振子的中点和所述第二天线振子的中点间的距离。
上述天线阵列的反射器位于各定向天线的天线振子围成的图形的内侧。因此，该天线阵列的尺寸小。并且，反射器的两侧向天线振子方向弯曲可以避免天线振子围成的图形的内侧的反射器相互重叠。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现中，所述天线阵列还包括第一印制电路板和第二印制电路板。所述第一天线振子，所述第一馈线，所述第一开关，所述第二天线振子，所述第二馈线，以及所述第二开关布置在所述第一印制电路板上。所述第一反射器和所述第二反射器布置在所述第二印制电路板上。所述第一印制电路板平行于所述第二印制电路板并与所述第二印制电路板固定。
由于馈线也在天线振子围成的图形的内侧，要在一块印制电路板上布置馈线和反射器的话，天线阵列的设计会很复杂。将馈线和反射器放在不同的印制电路板上可以简化天线阵列。
结合第一方面或第一方面的第一种实现，在第一方面的第二种实现中，所述第一反射器的长度约为所述工作波长的0.54至0.6倍。所述第二反射器的长度约为所述工作波长的0.54至0.6倍。
结合第一方面、第一方面的第一种实现或第一方面的第二种实现，在第一方面的第三种实现中，所述第一开关和所述第一开关为PIN型二极管。
第二方面，提供了一种无线通信设备，包括上述第一方面或第一方面的第一种实现至第三种实现中的任意一个中的天线阵列。所述无线通信设备还包括控制电路。所述控制电路用于关闭所述第一开关或所述第二开关以控制所述天线阵列为定向模式。
结合第二方面，在第二方面的第一种实现中，所述控制电路还用于打开所述第一开关和所述第二开关以控制所述天线阵列为全向模式。
附图说明
图1为本发明实施例中包括两个定向天线的天线阵列的示意图；
图2为本发明实施例中包括四个定向天线的天线阵列的示意图；
图3为本发明实施例中馈线和反射器在不同的印制电路板上的天线阵列的示意图；
图4为本发明实施例中无线通信设备的示意图。
具体实施方式
以下结合图1至图4说明本发明实施例。
图1至图3为本发明实施例中天线阵列的示意图。该天线阵列包括至少两个定向天线。这些定向天线的方向各不相同。例如，如图1所示，该天线阵列包括两个定向天线，左侧的定向天线指向左前方，右侧的定向天线指向右前方。又如，如图2所示，该天线阵列包括四个定向天线，左侧的定向天线指向左方，右侧的定向天线指向右方，前面的定向天线指向前方，后面的定向天线指向后方。该天线阵列包括的定向天线的数量还可以为3，5，6或更多。所有的定向天线都以中心对称的方式排布并指向外侧。
这些定向天线中每个定向天线包括天线振子，反射器，连接该天线振子的馈线(英文：feed line)，以及控制该馈线的开关。为缩小天线阵列的尺寸，该定向天线是微带天线。馈线可以为双面平行带线(英文：double-sided parallel-strip line)。开关可以为PIN型二极管。
为缩小天线阵列的尺寸，该天线振子为微带偶极天线振子。该天线振子与馈线相连，因此为驱动振子(英文：driven element)。该天线振子的长度约为天线阵列的工作波长(英文：operating wavelength)的一半。工作波长为该天线阵列的工作频段(英文：operating band)的中心频率对应的电磁波波长，以下也称为λ。λ为介质中的波长，与介电常数相关。当天线印刷在介质表面时，λ对应的介电常数与介质的介电常数以及空气的介电常数都有关系。例如，λ对应的介电常数为介质的介电常数和空气的介电常数的平均值。例如，当天线印刷在介电常数为4.4的介质的表面时，λ对应的介电常数约为(4.4+1)/2＝2.7。由于天线的工作频段是一个范围并可以包括多个信道，而天线振子的长度为固定值，不可能使天线振子对工作频率的电磁波达到最佳谐振，因此天线振子的长度也无需精确的为1/2λ。天线振子的长度只要接近1/2λ即可，例如约为0.44λ-0.53λ。
为缩小天线阵列的尺寸，该反射器为寄生(英文：parasitic)微带天线振子。该反射器的长度略大于该天线振子的长度，例如约为0.54λ-0.6λ。该反射器的中点到该天线振子的距离约为1/4λ。由于反射器的长度略大于天线振子的长度，反射器具有感抗，意味着其电流的相位滞后于由接收场引起的开路电压的相位。反射器和天线振子发射的电磁波在正向(从反射器到天线振子的方向)上成相长干涉，在反向(从天线振子到反射器的方向)上成相消干涉。因此，天线振子和反射器的组合发射的电磁波指向从反射器到天线振子的方向。
为缩小天线阵列的尺寸，所有的反射器都位于各定向天线的天线振子围成的图形的内侧。因此，两个反射器的中点间的距离小于对应两个天线振子的中点间的距离。然而，由于反射器长于天线振子，将反射器置于天线振子围成的图形的内可能使反射器相互重叠。为了使反射器不相影响，反射器的两侧向天线振子方向弯曲以避免反射器间重叠。
采用上述结构的天线阵列的尺寸小。例如，工作频段为2.4吉赫兹(GHz)的图2所示的四向天线阵列的尺寸可以小至56毫米(mm)*56mm。
由于馈线也在天线振子围成的图形的内侧，要在一块印制电路板(PCB)上布置馈线和反射器的话，天线阵列的设计会很复杂。为了简化天线阵列，可以将馈线和反射器放在不同的PCB上。参见图3，采用该结构的天线阵列包括两个PCB，即第一PCB 301和第二PCB302。第一PCB 301和第二PCB 302重叠放置，即第一PCB 301和第二PCB 302平行并且第一PCB 301和第二PCB 302的投影重叠。第一PCB 301与第二PCB 302固定。例如，可以在第一PCB 301和第二PCB 302平行对应的位置上开孔，并用固定件(如塑料螺丝、塑料螺柱或隔离支柱(英文：spacer support))穿过对应的开孔以固定第一PCB 301和第二PCB 302。由于馈线和天线振子连接，因此将各个定向天线的天线振子，馈线和开关布置在第一PCB 301上，并将各个定向天线的反射器布置在第二PCB 302上。图3仅示出第一PCB 301的一面，在该面上布置了微带偶极天线振子的一个臂，微带偶极天线振子的另一个臂在第一PCB的另一面上。图3中的第二PCB 302在第一PCB 301的上方。第二PCB 302也可以在第一PCB的下方。
图4为本发明实施例中无线通信设备的示意图。该无线通信设备包括控制电路和图1至图3所示实施例中的天线阵列。该控制电路可以关闭其中一个或一些定向天线的开关以控制该天线阵列为定向模式。该控制电路还可以打开所有定向天线的开关以控制该天线阵列为全向模式。如果开关为PIN型二极管，控制电路可以对要打开的开关施加正向偏压(英文：forward bias)以打开该开关。该无线通信设备还包括与馈线相连的射频(RF)电路。RF电路又称为RF模块，用于收发RF信号。控制电路可以集成在RF电路里，也可以是另外的器件。例如，控制电路可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logicdevice，CPLD)，现场可编程门电路(FPGA)，中央处理器(CPU)或其任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种天线阵列，包括第一定向天线和第二定向天线，其中，
所述第一定向天线和所述第二定向天线的方向不同；
所述第一定向天线包括第一天线振子，第一反射器，连接所述第一天线振子的第一馈线，以及控制所述第一馈线的第一开关；
所述第二定向天线包括第二天线振子，第二反射器，连接所述第二天线振子的第二馈线，以及控制所述第二馈线的第二开关；
所述第一天线振子为微带偶极天线振子，所述第一天线振子的长度约为所述天线阵列的工作波长的一半；
所述第一反射器为寄生微带天线振子，所述第一反射器的长度大于所述第一天线振子的长度，所述第一反射器的中点到所述第一天线振子的距离约为所述工作波长的四分之一，所述第一反射器的两侧向所述第一天线振子方向弯曲；
所述第二天线振子为微带偶极天线振子，所述第二天线振子的长度约为所述工作波长的一半；
所述第二反射器为寄生微带天线振子，所述第二反射器的长度大于所述第二天线振子的长度，所述第二反射器的中点到所述第二天线振子的距离约为所述工作波长的四分之一，所述第二反射器的两侧向所述第二天线振子方向弯曲；
所述第一反射器的中点和所述第二反射器的中点间的距离小于所述第一天线振子的中点和所述第二天线振子的中点间的距离，其中，
所述天线阵列还包括第一印制电路板和第二印制电路板；
所述第一天线振子，所述第一馈线，所述第一开关，所述第二天线振子，所述第二馈线，以及所述第二开关布置在所述第一印制电路板上；
所述第一反射器和所述第二反射器布置在所述第二印制电路板上；
所述第一印制电路板平行于所述第二印制电路板并与所述第二印制电路板固定。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述第一反射器的长度为所述工作波长的0.54至0.6倍，所述第二反射器的长度为所述工作波长的0.54至0.6倍。
3.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述第一开关和所述第二开关为PIN型二极管。
4.根据权利要求2所述的天线阵列，其中，所述第一开关和所述第二开关为PIN型二极管。
5.一种无线通信设备，包括，控制电路和如权利要求1至4中任意一项所述的天线阵列，其中，所述控制电路用于关闭所述第一开关或所述第二开关以控制所述天线阵列为定向模式。
6.根据权利要求5所述的无线通信设备，其中，所述控制电路还用于打开所述第一开关和所述第二开关以控制所述天线阵列为全向模式。
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