CN110444902A - 一种智能天线装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线装置和系统，其中装置包括基板、偶极子辐射天线、四组引向器、四组反射器和八个控制单元；每一组引向器包括设于基板的第一表面的第一引向元件和设于基板的第二表面的第二引向元件；偶极子辐射天线包括设于第一表面的第一辐射元件和设于第二表面的第二辐射元件；每一组反射器包括设于第一表面的第一反射元件和设于第二表面的第二反射元件；四个控制单元分别与每一组引向器的第一微带线连接，用于控制引向器的开启和关闭；四个控制单元分别与每一组反射器的第二微带线连接，用于控制反射器的开启和关闭。本发明能够增加天线的辐射场型，提高天线辐射场型变化的多样性，满足不同的应用场景的通信需求。

Description

一种智能天线装置和系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种智能天线装置和系统。

背景技术

天线是无线通信产品中重要的元件之一，其对无线通信产品的通信范围、通信质量等均有重大影响。如今无线通信产品的使用越来越广泛，使用的场景越来越多，辐射场型固定或极少可切换的辐射场型的天线已经不能满足当今无线通信产品的设计需求。

为了获得更大的通信范围或更优的通信质量，让无线通信产品能够改变天线辐射场型，将天线的辐射能量集中在所需的方向，以满足不同的应用场景的通信需求，一直是业界有待解决的问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种智能天线装置和系统，能够增加天线的辐射场型，提高天线辐射场型变化的多样性，满足不同的应用场景的通信需求。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种智能天线装置，所述装置包括基板，以及，

四组引向器；其中，每一组所述引向器包括设于所述基板的第一表面的第一引向元件和设于所述基板的第二表面的第二引向元件；所述第一引向元件和所述第二引向元件通过第一微带线连接，且均与所述基板垂直；

偶极子辐射天线，位于四组所述引向器所围成的一区域的中心位置；其中，所述偶极子辐射天线包括设于所述第一表面的第一辐射元件和设于所述第二表面的第二辐射元件，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件均与所述基板垂直；

四组反射器；其中，每一组所述反射器包括设于所述第一表面的第一反射元件和设于所述第二表面的第二反射元件；所述第一反射元件和所述第二反射元件通过第二微带线连接，且均与所述基板垂直；

八个设于所述基板的控制单元；其中，四个所述控制单元分别与每一组引向器的所述第一微带线连接，用于控制所述引向器的开启和关闭；四个所述控制单元分别与每一组反射器的所述第二微带线连接，用于控制所述反射器的开启和关闭。

进一步的，所述控制单元包括第一电阻、第一电感、二极管、第二电感、第一电容和第二电容；

所述第一电感的第一端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电感的第二端通过第三微带线与所述二极管的第一端连接；

所述第二电感的第一端与所述二极管的第二端连接，所述第二电感的第二端接地；

所述第一电容的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端接地；

所述第二电容的第一端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第二电感的第二端连接；

所述第一电阻的第二端用于通过第四微带线连接控制端，所述二极管的第一端还与所述第一微带线或所述第二微带线连接。

进一步的，四组所述反射器分别与四组所述引向器一一对应，相对应的所述反射器和所述引向器与所述偶极子辐射天线分布在所述基板的同一直线上，且所述反射器与所述偶极子辐射天线距离大于对应的所述引向器与所述偶极子辐射天线的距离。

进一步的，四组所述引向器的所述第一引向元件与所述第一辐射元件之间的第一间距相等，四组所述引向器的所述第二引向元件与所述第二辐射元件之间的第二间距相等。

进一步的，所述第一间距和所述第二间距相等且介于0.25～0.35个波长之间。

进一步的，四组所述反射器的所述第一反射元件与所述第一辐射元件之间的第三距离相等，且四组所述反射器的所述第二反射元件与所述第二辐射元件之间的第四距离相等。

进一步的，所述第一辐射元件的长度和所述第二辐射元件的长度相等且介于0.4～0.5个波长之间。

进一步的，所述第一引向元件的长度和所述第二引向元件的长度均为所述第一辐射元件的长度的0.8～0.95倍。

进一步的，所述第一反射元件的长度和所述第二反射元件的长度均为所述第一辐射元件的长度的1.05～1.2倍。

为了解决相应的技术问题，第二方面，本发明还提供了一种智能天线系统，所述系统包括控制模块和如上述第一方面提供的任意一项所述的智能天线装置，所述控制模块设有八个控制端，八个所述控制端分别与所述智能天线装置的八个所述控制单元的受控端连接。

进一步的，所述控制模块包括主控单元和串并转换器；所述串并转换器设有至少八个输出端；其中，

所述主控单元的输出端与所述串并转换器的输入端连接，所述串并转换器的八个输出端为所述控制模块的八个控制端。

相比于现有技术，上述提供的一种智能天线装置和系统，能够通过控制单元控制四组引向器、四组反射器的工作模式，改变引向器、反射器工作模式组合，获得不同种类的波束，从而获得天线不同方向的辐射场型，既有高增益定向工作模式，又有宽波束覆盖模式，能够满足不同应用场景的通信需求。同时，能使最大辐射方向在水平面上，且获得的波束种类更多，尤其适用于大多数的SOHO无线通信产品。

附图说明

图1是本发明提供的一种智能天线装置的一种优选实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例的一种智能天线装置的结构拆分图；

图3是本发明提供的控制单元的一种优选实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的一种智能天线系统的一种优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种智能天线装置，请参阅图1至图2，图1是本发明提供的一种智能天线装置的一种优选实施例的结构示意图，图2是图1所示实施例的一种智能天线装置的结构拆分图；具体的，所述装置包括基板1，以及，

四组引向器2；其中，每一组所述引向器2包括设于所述基板1的第一表面的第一引向元件D11～D41和设于所述基板1的第二表面的第二引向元件D12～D42；所述第一引向元件D11～D41和所述第二引向元件D12～D42通过第一微带线连接，且均与所述基板1垂直；

偶极子辐射天线3，位于四组所述引向器2所围成的一区域的中心位置；其中，所述偶极子辐射天线3包括设于所述第一表面的第一辐射元件31和设于所述第二表面的第二辐射元件32，所述第一辐射元件31和所述第二辐射元件32均与所述基板1垂直；

四组反射器4；其中，每一组所述反射器4包括设于所述第一表面的第一反射元件R11～R41和设于所述第二表面的第二反射元件R12～R42；所述第一反射元件R11～R41和所述第二反射元件R12～R42通过第二微带线连接，且均与所述基板1垂直；

八个设于所述基板的控制单元5；其中，四个所述控制单元5分别与每一组引向器2的所述第一微带线连接，用于控制所述引向器2的开启和关闭；四个所述控制单元5分别与每一组反射器4的所述第二微带线连接，用于控制所述反射器4的开启和关闭。

具体的，本发明提供的一种智能天线装置，基板、四组反射器、四组引向器和八个控制单元构成上下两层结构(以基板为参考平面基准)，通过控制单元控制每一组反射器和引向器的开启(处于工作状态)或关闭(处于不工作状态)来控制每一组反射器和引向器是否工作，进而通过改变四组反射器、四组引向器的工作模式，获得不同的工作模式组合，获得不同种类的波束，从而获得天线不同方向的辐射场型，以满足不同应用场景的通信需求。理论上，八个控制单元分别控制四组反射器、四组引向器，可存在256种不同波束。

需要说明的是，引向器和反射器均是本身没有激励的无源振子，受偶极子辐射天线的耦合激起电流，从而产生辐射，影响辐射场型。其中，反射器用于增强天线在反射器对侧的辐射，引向器用于增加天线在引向器这侧的辐射，通过设置偶极子辐射天线、第一引向元件和第二引向元件、第一反射元件和第二反射元件的长度即可实现引向器、反射器的相应功能。每一组反射器的第一反射元件和第二反射元件的位置点尽可能靠近，每一组引向器的第一引向元件和第二引向元件位置点尽可能靠近，偶极子辐射天线的第一辐射元件和第二辐射元件的位置点也尽可能靠近。

需要说明的是，引向器的第一引向元件和第二引向元件、反射器的第一反射元件和第二反射元件均是金属材料构成，具体的，可以设置为金属片、金属柱等适用的金属探针形状。附图2是为了便于体现本发明提供的一种智能天线装置的结构所作的拆分图，实施应用时，上下两层结构是相互贴合的，并不是分开的。

需要说明的是，每一组引向器的第一引向元件和第二引向元件通过第一微带线连接，进而连接控制单元，当控制单元控制某一组引向器关闭或开启时，该组引向器的第一引向元件和第二引向元件均关闭或开启。同理，每一组反射器的第一反射元件和第二反射元件通过第二微带线连接，进而连接控制单元，当控制单元控制某一组反射器关闭或开启时，该组反射器的第一反射元件和第二反射元件均关闭或开启。

可选的，基板的形状可为正方形、矩形、圆形等形状等对称形状，在图1至图2中基板的形状只是作为示意，并不是对基板的形状进行限定。优选圆形，以便于让智能天线装置的各个结构、电路等分布更均匀，使智能天线装置的性能更优。

本发明提供的一种智能天线装置，能够通过控制单元控制四组引向器、四组反射器的工作模式，改变引向器、反射器工作模式组合，获得不同种类的波束，从而获得天线不同方向的辐射场型，既有高增益定向工作模式，又有宽波束覆盖模式，能够满足不同应用场景的通信需求。同时，相对于单层设计结构的最大辐射方向不在水平面上，与水平面有约45度的夹角，本发明提供的一种智能天线装置在基板上构成上下两层结构，能使最大辐射方向在水平面上，且获得的波束种类更多，尤其适用于大多数的SOHO无线通信产品。

优选地，请参阅图3，图3是本发明提供的控制单元的一种优选实施例的结构示意图；具体的，所述控制单元包括第一电阻R、第一电感L1、二极管D、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2；

所述第一电感L1的第一端与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第一电感L1的第二端通过第三微带线与所述二极管D的第一端连接；

所述第二电感L2的第一端与所述二极管D的第二端连接，所述第二电感L2的第二端接地；

所述第一电容C1的第一端与所述第一电阻R的第二端连接，所述第一电容C1的第二端接地；

所述第二电容C2的第一端与所述第二电感L2的第一端连接，所述第二电容C2的第二端与所述第二电感L2的第二端连接；

所述第一电阻R的第二端用于通过第四微带线连接控制端，所述二极管D的第一端还与所述第一微带线或所述第二微带线连接。

具体实施时，当第一电阻的第二端通过第四微带线连接控制端后，控制端输出相应的控制信号V，控制二极管导通或断开，当二极管导通时，通过第一微带线(或第二微带线)与二极管第一端连接的引向器(或反射器)短路接地，此时引向器(或反射器)不工作，此时失去引向(或反射)作用；当二极管断开时，通过第一微带线(或第二微带线)与二极管第一端连接的引向器(或反射器)未被短路，此时引向器(或反射器)工作，起到引向(或反射)作用。

需要说明的是，第一电阻、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容起到阻抗匹配的作用。二极管可设置为PIN二极管，能够作为微波开关对相应的反射器、引向器进行控制，更适用于天线的电路中。

本发明提供的一种智能天线装置，能够通过第一电阻、第一电感、二极管、第二电感、第一电容和第二电容构成控制单元，能够实现控制单元控制反射器、引向器开启和关闭的功能。

优选地，四组所述反射器4分别与四组所述引向器2一一对应，相对应的所述反射器4和所述引向器2与所述偶极子辐射天线3分布在所述基板1的同一直线上，且所述反射器4与所述偶极子辐射天线3距离大于对应的所述引向器2与所述偶极子辐射天线3的距离。

需要说明的是，反射器对应的引向器是位于该反射器对侧的引向器，具体的，如图2所示，由D11和D12构成引向器2和由R41和R42构成反射器4对应，且与偶极子辐射天线在同一直线分布；由D21和D22构成引向器2和由R31和R32构成反射器4对应，且与偶极子辐射天线在同一直线分布；由D31和D32构成引向器2和由R21和R22构成反射器4对应，且与偶极子辐射天线在同一直线分布；由D41和D42构成引向器2和由R11和R12构成反射器4对应，且与偶极子辐射天线在同一直线分布。反射器4在引向器2的外围分布，反射器4与偶极子辐射天线3距离大于引向器2与偶极子辐射天线3的距离。

本发明提供的一种智能天线装置，将对应的反射器和引向器与偶极子辐射天线分布在基板的同一直线上分布，能够使获得的波速在不同的方向上更集中，进一步优化智能天线装置的性能。

优选地，四组所述引向器的所述第一引向元件与所述第一辐射元件之间的第一间距相等，四组所述引向器的所述第二引向元件与所述第二辐射元件之间的第二间距相等。

具体的，如图2所示，引向器2的第一引向元件D11～D41到第一辐射元件31的间距相等，引向器2的第二引向元件D12～D42到第二辐射元件32的间距相等，能够最大程度保证不同的波束条件下，引向器在各个方向上的作用相似，便于调节控制智能天线系统的性能。

优选地，所述第一间距和所述第二间距相等且介于0.25～0.35个波长之间。

具体的，引向器可以在一定的范围内工作，引向器在不同的位置会给智能天线装置带来不同的性能，第一间距和第二间距的大小会直接影响智能天线装置性能的好坏。本发明的发明人在经过实验测试研究后，测得当第一间距和第二间距相等且介于0.25～0.35个波长之间时，能够使本发明提供的一种智能天线装置的性能最优。

优选地，四组所述反射器4的所述第一反射元件R11～R41与所述第一辐射元件31之间的第三距离相等，且四组所述反射器4的所述第二反射元件R12～R42与所述第二辐射元件32之间的第四距离相等。

具体的，反射器的第一反射元件到第一辐射元件的间距相等，反射器的第二反射元件到第二辐射元件的间距相等，能够最大程度保证不同的波束条件下，反射器在各个方向上的作用相似，便于调节控制智能天线系统的性能。

优选地，所述第一辐射元件31的长度和所述第二辐射元件32的长度相等且介于0.2～0.25个波长之间。

具体的，第一辐射元件的长度和第二辐射元件的长度相等且介于0.2～0.25个波长之间时，能够在保证偶极子辐射天线的辐射功能的前提下，减少智能天线装置的尺寸。

优选地，所述第一引向元件D11～D41的长度和所述第二引向元件D12～D42的长度均为所述第一辐射元件31的长度的0.8～0.95倍。

具体的，引向器是无源振子，其本身没有激励，需要受到偶极子辐射天线的耦合激起电流，从而产生辐射。当无源振子的长度小于0.5倍波长时，无源振子上的感应电流相位落后于偶极子辐射天线，此时实现了引向器的功能。故当第一辐射元件的长度和第二辐射元件的长度相等且介于0.2～0.25个波长之间时，将第一引向元件的长度和第二引向元件的长度均设置为第一辐射元件的长度的0.8～0.95倍，可以实现引向器的相应功能。

优选地，所述第一反射元件R11～R41的长度和所述第二反射元件R12～R42的长度均为所述第一辐射元件31的长度的1.05～1.2倍。

具体的，反射器是无源振子，其本身没有激励，需要受到偶极子辐射天线的耦合激起电流，从而产生辐射。当无源振子的长度大于0.5倍波长时，无源振子上的感应电流相位超前于偶极子辐射天线，此时实现了反射器的功能。故当第一辐射元件的长度和第二辐射元件的长度相等且介于0.2～0.25个波长之间时，将第一反射元件的长度和第二反射元件的长度均设置为第一辐射元件的长度的1.05～1.2倍，可以实现反射器的相应功能。

具体实施时，本发明提供的一种智能天线装置，基板、四组反射器、四组引向器和八个控制单元构成上下两层结构(以基板为参考平面基准)，通过控制单元控制每一组反射器和引向器的开启(处于工作状态)或关闭(处于不工作状态)来控制每一组反射器和引向器是否工作，进而通过改变四组反射器、四组引向器的工作模式，获得不同的工作模式组合，获得不同种类的波束，从而获得天线不同方向的辐射场型，以满足不同应用场景的通信需求。理论上，八个控制单元分别控制四组反射器、四组引向器，理论上可存在256种不同波束。

本发明提供的一种智能天线装置，能够通过控制单元控制四组引向器、四组反射器的工作模式，改变引向器、反射器工作模式组合，获得不同种类的波束，从而获得天线不同方向的辐射场型，既有高增益定向工作模式，又有宽波束覆盖模式，能够满足不同应用场景的通信需求。同时，相对于单层设计结构的最大辐射方向不在水平面上，与水平面有约45度的夹角，本发明提供的一种智能天线装置在基板上构成上下两层结构，能使最大辐射方向在水平面上，且获得的波束种类更多，尤其适用于大多数的SOHO无线通信产品。

本发明实施例还提供了一种智能天线系统，请参阅图4，图4是本发明提供的一种智能天线系统的一种优选实施例的结构示意图；具体的，所述系统包括控制模块6和如上述实施例提供的任意一项所述的智能天线装置，所述控制模块6设有八个控制端，八个所述控制端分别与所述智能天线装置的八个所述控制单元的受控端连接。

具体的，控制模块的八个控制端分别向八个控制单元的受控端输入相应的控制信号，控制反射器、引向器的开启或关闭，改变四组反射器、四组引向器的工作模式，进而获得不同的工作模式组合，使智能天线系统能获得不同种类的波束，获得天线不同方向的辐射场型，既有高增益定向工作模式，又有宽波束覆盖模式，以满足不同应用场景的通信需求。

优选地，如图4所示，所述控制模块6包括主控单元61和串并转换器62；所述串并转换器62设有至少八个输出端；其中，

所述主控单元61的输出端与所述串并转换器62的输入端连接，所述串并转换器62的八个输出端为所述控制模块6的八个控制端。

具体的，控制单元通过串并转换器接收主控单元控制信号，能够占用主控单元较少的输出端就完成对控制单元的控制，让主控单元更多的输出端去实现其他功能，且能够避免主控单元接口驱动力不足或接口数量不足影响对控制单元的控制。而且本发明提供的一种智能天线系统，体积小，整个天线系统的尺寸为35mm*35mm*20mm(长*宽*高)即可实现功能。

可选的，主控单元的寄存器的输出端、时钟信号输出端与串并转换器的输入端连接。

需要说明的是，本发明提供的一种智能天线系统的工作原理和有益效果与上述实施例提供的一种智能天线装置的工作原理和有益效果对应，故在此不再赘述。

需要说明的是，本发明的发明人在研发过程中，在一定条件下经过测试获得本发明提供的一种智能天线装置和系统获得的最大增益可以在2.5dBi至8.9dBi之间切换，且天线最大增益辐射方向可以在方位角上切换，以覆盖不同的区域。同时，天线的波束宽度可以在80°至360°之间切换，当需要覆盖大范围角度，天线可工作正在宽波束或全向辐射模式下；当需要进行点对点传输时，天线可以工作在高增益窄波束模式下，提高与通信对象方向上的增益，同时也可以降低其他方向增益来抑制干扰，理论上是实现256种不同的波束，满足不同应用场景的通信需求。但是上述测试数据只是在一定通信条件、测试条件获得，具体应用时，有可能与上述测试数据不同，上述数据并不是对本发明所达到的最大增益和波速宽度的限定。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种智能天线装置，其特征在于，所述装置包括基板，以及，

四组引向器；其中，每一组所述引向器包括设于所述基板的第一表面的第一引向元件和设于所述基板的第二表面的第二引向元件；所述第一引向元件和所述第二引向元件通过第一微带线连接，且均与所述基板垂直；

偶极子辐射天线，位于四组所述引向器所围成的一区域的中心位置；其中，所述偶极子辐射天线包括设于所述第一表面的第一辐射元件和设于所述第二表面的第二辐射元件，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件均与所述基板垂直；

四组反射器；其中，每一组所述反射器包括设于所述第一表面的第一反射元件和设于所述第二表面的第二反射元件；所述第一反射元件和所述第二反射元件通过第二微带线连接，且均与所述基板垂直；

八个设于所述基板的控制单元；其中，四个所述控制单元分别与每一组引向器的所述第一微带线连接，用于控制所述引向器的开启和关闭；四个所述控制单元分别与每一组反射器的所述第二微带线连接，用于控制所述反射器的开启和关闭。

2.如权利要求1所述的智能天线装置，其特征在于，所述控制单元包括第一电阻、第一电感、二极管、第二电感、第一电容和第二电容；

所述第一电感的第一端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电感的第二端通过第三微带线与所述二极管的第一端连接；

所述第二电感的第一端与所述二极管的第二端连接，所述第二电感的第二端接地；

所述第一电容的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端接地；

所述第二电容的第一端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第二电感的第二端连接；

所述第一电阻的第二端用于通过第四微带线连接控制端，所述二极管的第一端还与所述第一微带线或所述第二微带线连接。

3.如权利要求1所述的智能天线装置，其特征在于，四组所述反射器分别与四组所述引向器一一对应，相对应的所述反射器和所述引向器与所述偶极子辐射天线分布在所述基板的同一直线上，且所述反射器与所述偶极子辐射天线距离大于对应的所述引向器与所述偶极子辐射天线的距离。

4.如权利要求1所述的智能天线装置，其特征在于，四组所述引向器的所述第一引向元件与所述第一辐射元件之间的第一间距相等，四组所述引向器的所述第二引向元件与所述第二辐射元件之间的第二间距相等。

5.如权利要求4所述的智能天线装置，其特征在于，所述第一间距和所述第二间距相等且介于0.25～0.35个波长之间。

6.如权利要求1所述的智能天线装置，其特征在于，四组所述反射器的所述第一反射元件与所述第一辐射元件之间的第三距离相等，且四组所述反射器的所述第二反射元件与所述第二辐射元件之间的第四距离相等。

7.如权利要求1至6任意一项所述的智能天线装置，其特征在于，所述第一辐射元件的长度和所述第二辐射元件的长度相等且介于0.2～0.25个波长之间。

8.如权利要求7所述的智能天线装置，其特征在于，所述第一引向元件的长度和所述第二引向元件的长度均为所述第一辐射元件的长度的0.8～0.95倍。

9.如权利要求7所述的智能天线装置，其特征在于，所述第一反射元件的长度和所述第二反射元件的长度均为所述第一辐射元件的长度的1.05～1.2倍。

10.一种智能天线系统，其特征在于，所述系统包括控制模块和如权利要求1至9任意一项所述的智能天线装置，所述控制模块设有八个控制端，八个所述控制端分别与所述智能天线装置的八个所述控制单元的受控端连接。

11.如权利要求10所述的智能天线系统，其特征在于，所述控制模块包括主控单元和串并转换器；所述串并转换器设有至少八个输出端；其中，

所述主控单元的输出端与所述串并转换器的输入端连接，所述串并转换器的八个输出端为所述控制模块的八个控制端。