CN112003031A - 一种多波束切换天线、控制方法、无线基站 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种多波束切换天线、控制方法、无线基站，设置有一个中心对称振子辐射结构体、多个带有PIN二极管的反射结构体、多个带有PIN二极管的引向结构体、PIN控制电路以及天线固定支架；多个带有PIN二极管的反射及引向结构以中心辐射结构体为圆心以某特定距离为半径呈单层或多层圆形均匀分布；每个反射或引向结构由多段金属柱与多个PIN二极管组成，多段金属柱通过绝缘套筒固定在天线固定支架上，多个PIN二极管将多段金属柱连接在一起构成反射或引向结构体，反射或引向结构的大小形状完全相同。本发明可实现波束指向、波束宽度、增益各不相同的共31种工作状态的切换，以满足多种应用需求。

Description

一种多波束切换天线、控制方法、无线基站
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种多波束切换天线、控制方法、无线基站。
背景技术
目前：天线可以发射和接收电磁波信号，是无线电领域的重要器件。随着科学技术的快速发展，卫星、雷达、无线基站、汽车、舰船、飞机以及各种民用无线传输设备对天线的性能要求越来越高，甚至一个设备中需要用到多个不同形状和尺寸的天线来产生不同强度、不同方向、不同频率的电磁波才能满足信号的发射和接收要求。同应用在不同场景下也对天线提出不同的辐射特性要求。为了满足这一要求，需要搭载多个天线接收和发射不同应用系统的电磁波，这就导致设备的尺寸、重量和制作成本较大，同时面临天线间的电磁干扰。多波束切换天线通过单个天线波束的快速切换提供同一平台不同的应用所需的波束来解决上述问题，具有巨大的发展空间。
传统的多波束切换天线根据其实现的方式可分为相控多波束天线、多端口可控馈电网络天线及准光学透镜类多波束天线等。相控多波束天线一般通过对阵列的多个单元馈入不同相位的信号来控制波束指向，这种不同相位的信号大多采用移相器来完成，由于多通道的相移器成本高昂、各个单元馈入的信号相位精度要求较高，并且这种形式天线的波束指向虽然可调节但波束宽度可变范围较小，因此会造成天线的制造成本极高、安装调试校准特别复杂；多端口可控馈电网络多波束天线往往是预设多种不同波束指向和形状的天线及其馈电接口，通过选择馈电接口来实现多波束的切换，这种多波束实现方式由于预设的天线数量较多，馈电端口较多，往往会导致天线的体积较大，馈电网络较为复杂，并且各个不同波束天线间会产生严重互耦；而采用准光学透镜类多波束天线的透镜一般采用类光学的设计，需要引入介质，由于介质基板的介电损耗大、加工精度要求较高等原因，导致透镜天线面临热损耗较大、天线效率不高、加工成本高昂、色散效应严重等问题。以中国发明专利CN107946774B为例，其公开了一种带透镜基站的天线，其核心是用一种介质圆柱棒作为透镜。在该透镜的120°外围由3面10单元基站天线激励(照射)，形成3波束120°覆盖。该天线的波束增益只有1dB，且该天线只能产生高频波束，无法实现低频覆盖。另外，该天线结构较为复杂，共使用了30个单元天线，结构庞大，安装复杂，制作和安装成本都较高。因此设计出一种结构简单、体积小、成本低、馈电端口较少的多波束切换天线成为目前面临的主要问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的多波束切换天线成本较高，波束宽度可变范围较小，天线的安装调试较为复杂；馈电端口较为复杂，导致天线的体积较大，馈电网络较为复杂，各个不同波束天线间产生互耦；损耗较大、天线效率不高、加工成本、色散效应严重。
如果能增加天线波束宽度和增益的多样性和波束切换速率及天线的效率，则可满足于更多实际场景的应用。如果能减小天线的体积尺寸和重量、增加天线的便携性，则天线可在更多载具平台上应用。如果能够降低天线的加工成本和安装调试复杂度，则天线将可进行大批量生产及其广泛的商业应用。因此，有必要设计一款新形式的天线来克服以上的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多波束切换天线、控制方法、无线基站。
本发明是这样实现的，一种多波束切换天线，所述多波束切换天线设置有一个中心对称振子辐射结构体、多个带有PIN二极管的反射结构体、多个带有PIN二极管的引向结构体、PIN控制电路以及天线固定支架；
所述多个带有PIN二极管的反射及引向结构以中心辐射结构体为圆心以某特定距离为半径呈单层或多层圆形均匀分布；每个反射或引向结构由多段金属柱与多个PIN二极管组成，其中多段金属柱通过绝缘套筒固定在天线固定支架上，多个PIN二极管将多段金属柱连接在一起构成反射或引向结构体，反射或引向结构的大小形状完全相同。
进一步，所述控制电路通过接有扼流圈的导线与上述反射或引向天线上的PIN二极管相连接；控制电路根据状态控制需求通过接有扼流圈的导线提供PIN二极管通断的控制电压，进而改变各个引向或反射天线的工作状态，通过不同工作状态的组合来形成不同方向和不同波束宽度以及不同增益的波束；扼流圈提供射频扼流作用，形成直流控制和射频信号的隔离。
进一步，所述引向结构体或反射结构体由三段金属柱组成，并通过绝缘套筒固定在天线固定支架上，中心辐射结构体由对称振子组成，振子臂通过绝缘套筒固定在上述的天线固定支架上，可采用同轴加巴伦馈电的形式给两个振子臂馈电，大部分导线及其控制电路固定在天线固定支架内部。
进一步，每一个引向结构体或反射结构体上的3段金属柱均是由两个PIN二极管接电连接在一起，PIN二极管均与带有扼流圈的导线及其控制电路接电连接，尤其是同一个结构体上的个PIN二极管，是由同一个信号电平控制，一根控制引线控制其同时通断。
进一步，所述中心辐射结构体位于阵列中心，其中6个引向结构体以中心辐射结构体为中心以某特定距离为半径作第一圈环绕；6个反射结构体以中心辐射结构体为中心以另一特定距离为半径作第二圈环绕；另外6个引向结构体以中心辐射结构体为中心以某特定距离为半径作第三圈环绕，天线阵列总体呈环形放射状规则分布。
本发明的另一目的在于提供一种所述多波束切换天线的控制方法，所述多波束切换天线的控制方法包括带有扼流圈的导线及其控制电路通过控制引向结构体或反射结构体上的PIN二极管的通断来控制该天线的工作状态，当PIN二极管导通时，该结构体处于连接工作状态，通过互耦的形式影响中心辐射结构体产生的电磁场分布，改变天线方向图的形状；当PIN二极管截止时，该结构体处于断开工作状态，几乎不影响中心辐射结构体产生的电磁场；当控制电路接收到一个特定指令后，其各个输出端口会响应出一个特定的电压电平，通过连接在控制电路各个输出端口的导线传输该电平信号来控制上述PIN二极管的通断，控制处于工作状态的引向结构体或反射结构体的分布。
进一步，所述多波束切换天线的控制方法，根据方向图的形状，分为六种工作模式，其中不同工作模式中又可根据方向图的指向细分为各个不同的工作状态，实现根据特定的控制信号来实现各个波束的切换。
进一步，第一种工作模式，只有中心辐射结构体处于工作状态；
第二种工作模式，有中心辐射结构体、一个反射结构体和一个第一环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且三者位于同一直线上；波束指向与该模式下所处的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度；
第三种工作模式，有中心辐射结构体、三个反射结构体和一个第一环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且辐射、反射、引向结构体三者位于同一直线上，反射结构体指的是三个处于工作状态的反射结构体中位于中间的反射天线；波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
第四种工作模式，有中心辐射结构体、一个反射结构体、一个处于第一环绕圈上的引向结构体和一个处于第二环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且四者位于同一直线上，波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度；
第五种工作模式，有中心辐射结构体、两个反射结构体、两个处于第一环绕圈上的引向天线和两个处于第二环绕圈上的引向天线处于工作状态，波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度；
第六种工作模式，有中心辐射结构体、三个反射结构体、一个处于第一环绕圈上的引向结构体和一个处于第二环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且处于工作状态的中心辐射结构体、反射结构体、两个引向结构体位于同一直线上，反射结构体指的是三个处于工作状态的反射结构体中位于中间的反射结构体；波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
本发明的另一目的在于提供一种无线基站，所述无线基站安装有所述的多波束切换天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明解决了传统的波束切换天线馈电复杂、波束形状选择较少、制作成本高的问题，提供了一种单端口馈电、占用体积较小、波束形状较多、波束切换迅捷简便的多波束切换天线。
对比现有技术，本发明的天线结构形式简单，只有几个空心金属柱和支架组成，便于安装调试以及有较大的便携性，可以大幅度的减小传统的多波束切换天线的尺寸和重量。与传统多波束切换天线对比，本发明有较多种分别具有不同波束宽度和增益的波形可供切换，并且各种波形都可以在水平面进行不同波束指向的切换。并且对比现有的多波束切换天线，本天线具有馈电形式简单、天线效率高(损耗小)、安装调试简单、加工成本十分低廉、波束切换快捷等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的多波束切换天线的结构轴测图；
图2是本发明实施例提供的多波束切换天线的侧视图；
图3是本发明实施例提供的多波束切换天线中各个引向及反射结构分布位置的示意图；
图4是本发明实施例提供的多波束切换天线的第一种工作模式与此种工作模式的水平面方向仿真结果图；
图4中：(a)天线工作状态分布图；(b)天线工作时的方向图。
图5是本发明实施例提供的多波束切换天线的第二种工作模式的六种工作状态与此种工作模式中其中一种状态的水平面方向仿真结果图；
图6是本发明实施例提供的多波束切换天线的第三种工作模式的六种工作状态与此种工作模式中其中一种状态的水平面方向仿真结果图；
图7是本发明实施例提供的多波束切换天线的第四种工作模式的六种工作状态与此种工作模式中其中一种状态的水平面方向仿真结果图；
图8是本发明实施例提供的多波束切换天线的第五种工作模式的六种工作状态与此种工作模式中其中一种状态的水平面方向仿真结果图；
图9是本发明实施例提供的多波束切换天线的第六种工作模式的六种工作状态与此种工作模式中其中一种状态的水平面方向仿真结果图；
图1中：1、中心辐射结构体；2、引向结构体；3、反射结构体；4、天线固定支架；5、带有扼流圈的导线及其控制电路；6、绝缘套筒及内部PIN二极管；7、PIN二极管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多波束切换天线、控制方法、无线基站，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例的多波束切换天线主要包括：中心辐射天线中心辐射结构体1、引向结构体2、反射结构体3、天线固定支架4、带有扼流圈的导线及其控制电路5、绝缘套筒及内部PIN二极管6。引向结构体2或反射结构体3都是由三段金属柱组成，并通过绝缘套筒6固定在天线固定支架4上。中心辐射结构体1由对称振子组成，振子臂通过绝缘套筒6固定在上述的天线固定支架4上，采用同轴加巴伦馈电的形式给两个振子臂馈电。大部分导线及其控制电路5固定在天线固定支架4内部。
如图2所示，本发明实施例的多波束切换天线中每一个引向结构体2或反射结构体3上的3段金属柱均是由两个PIN二极管7接电连接在一起。PIN二极管7均与带有扼流圈的导线及其控制电路5接电连接，尤其是同一个结构体上的2个PIN二极管7，是由同一个信号电平控制，一根控制引线5控制其同时通断。
图3是本发明实例所提供天线的引向及反射结构体分布示意图，其中中心辐射结构体1位于阵列中心。其中6个引向结构体2以中心辐射结构体1为中心以某特定距离为半径作第一圈环绕；6个反射结构体3以中心辐射结构体1为中心以另一特定距离为半径作第二圈环绕；另外6个引向结构体2以中心辐射结构体1为中心以某特定距离为半径作第三圈环绕。天线阵列总体呈环形放射状规则分布。
下面结合发明过程中的一个具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
在本发明实施例中，带有扼流圈的导线及其控制电路5通过控制引向结构体2或反射结构体3上的PIN二极管的通断来控制该天线的工作状态。当PIN二极管导通时，该结构体处于工作状态，通过互耦的形式影响中心辐射结构体的电磁场分布，进而能够改变天线方向图的形状；当PIN二极管截止时，该结构体处于非工作状态，此时不会影响中心辐射结构体的电磁场分布，进而不会影响天线的方向图。当带有IO接口的控制电路5接收到一个特定信号后，其各个输出端口会响应出一个特定的电压电平，通过连接在控制电路5各个输出端口的导线传输该电平信号来控制上述PIN二极管的通断，从而控制处于工作状态的引向结构体2或反射结构体3的分布。由于导线末端接有扼流圈，此时导线只导通直流电平，不会影响反射或引向结构体的电磁特性，从而不会对天线整体方向图产生干扰。天线可根据方向图的形状，可分为六种工作模式，其中不同工作模式中又可根据方向图的指向细分为各个不同的工作状态，从而实现根据特定的控制信号来实现各个波束的切换。
图4是本发明实例所提供天线的第一种工作模式，从图4上半部分可以看出，此时只有中心辐射结构体1处于工作状态，此时，天线的水平面方向图如图4下半部分所示，波束为水平全向，增益为2.15dB。
图5是本发明实例所提供天线的第二种工作模式，从图5上半部分的第一个工作状态可以看出，此时有中心辐射结构体1、一个反射结构体3和一个第一环绕圈上的引向结构体2处于工作状态，并且三者位于同一直线上。此时，天线的其中一个工作状态的水平面方向图结果如图5下半部分所示，半波瓣宽度为58.8度，最大增益为7.5db。波束指向与该模式下所处的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
图6是本发明实例所提供天线的第三种工作模式，从图6上半部分的第一个工作状态可以看出，此时有中心辐射结构体1、三个反射结构体3和一个第一环绕圈上的引向结构体2处于工作状态，并且辐射、反射(反射结构体指的是三个处于工作状态的反射结构体中位于中间的反射天线)、引向结构体三者位于同一直线上，此时，天线的其中一个工作状态的水平面方向图结果如图6下半部分所示，半波瓣宽度为46.22度，最大增益为9db。波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
图7是本发明实例所提供天线的第四种工作模式，从图7上半部分的第一个工作状态可以看出，此时有中心辐射结构体1、一个反射结构体3、一个处于第一环绕圈上的引向结构体2和一个处于第二环绕圈上的引向结构体2处于工作状态，并且四者位于同一直线上，此时，天线的其中一个工作状态的水平面方向图如图结果7下半部分所示，半波瓣宽度为48.5度，最大增益为8db。波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
图8是本发明实例所提供天线的第五种工作模式，从图8上半部分的第一个工作状态可以看出，此时有中心辐射结构体1、两个反射结构体3、两个处于第一环绕圈上的引向天线2和两个处于第二环绕圈上的引向天线2处于工作状态，六种工作状态下的天线各种不同的分布如图8上半部分所示。此时，天线的其中一个工作状态的水平面方向图结果如图8下半部分所示，半波瓣宽度为108.59度，最大增益为6db。波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
图9是本发明实例所提供天线的第六种工作模式，从图9上半部分的第一个工作状态可以看出，此时有中心辐射结构体1、三个反射结构体3、一个处于第一环绕圈上的引向结构体2和一个处于第二环绕圈上的引向结构体2处于工作状态，并且处于工作状态的中心辐射结构体、反射结构体(反射结构体指的是三个处于工作状态的反射结构体中位于中间的反射结构体)、两个引向结构体位于同一直线上，此时，天线的其中一个工作状态的水平面方向图结果如图9下半部分所示，半波瓣宽度为39.26度，最大增益为10db。波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
图4-图9中：○表示二极管截止，该引向或反射结构的多段金属处于全断开状态；●表示二极管导通，该引向或反射结构的多段金属处于全连接状态。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多波束切换天线，其特征在于，所述多波束切换天线设置有一个中心对称振子辐射结构体、多个带有PIN二极管的反射结构体、多个带有PIN二极管的引向结构体、PIN控制电路以及天线固定支架；
所述多个带有PIN二极管的反射及引向结构以中心辐射结构体为圆心以某特定距离为半径呈单层或多层圆形均匀分布；每个反射或引向结构由多段金属柱与多个PIN二极管组成，其中多段金属柱通过绝缘套筒固定在天线固定支架上，多个PIN二极管将多段金属柱连接在一起构成反射或引向结构体，反射或引向结构的大小形状完全相同。
2.如权利要求1所述的多波束切换天线，其特征在于，所述控制电路通过接有扼流圈的导线与上述反射或引向天线上的PIN二极管相连接；控制电路根据状态控制需求通过接有扼流圈的导线提供PIN二极管通断的控制电压，进而改变各个引向或反射天线的工作状态，通过不同工作状态的组合来形成不同方向和不同波束宽度以及不同增益的波束；扼流圈提供射频扼流作用，形成直流控制和射频信号的隔离。
3.如权利要求1所述的多波束切换天线，其特征在于，所述引向结构体或反射结构体由三段金属柱组成，并通过绝缘套筒固定在天线固定支架上，中心辐射结构体由对称振子组成，振子臂通过绝缘套筒固定在上述的天线固定支架上，大部分导线及其控制电路固定在天线固定支架内部。
4.如权利要求3所述的多波束切换天线，其特征在于，每一个引向结构体或反射结构体上的3段金属柱均是由两个PIN二极管接电连接在一起，PIN二极管均与带有扼流圈的导线及其控制电路接电连接，尤其是同一个结构体上的多个PIN二极管，是由同一个信号电平控制，一根控制引线控制其同时通断。
5.如权利要求1所述的多波束切换天线，其特征在于，所述中心辐射结构体位于阵列中心，其中6个引向结构体以中心辐射结构体为中心以某特定距离为半径作第一圈环绕；6个反射结构体以中心辐射结构体为中心以另一特定距离为半径作第二圈环绕；另外6个引向结构体以中心辐射结构体为中心以某特定距离为半径作第三圈环绕，天线阵列总体呈环形放射状规则分布。
6.一种如权利要求1所述多波束切换天线的控制方法，其特征在于，所述多波束切换天线的控制方法包括带有扼流圈的导线及其控制电路通过控制引向结构体或反射结构体上的PIN二极管的通断来控制该天线的工作状态，当PIN二极管导通时，该结构体处于连通工作状态，通过互耦的形式影响中心辐射结构体产生的电磁场分布，改变天线方向图的形状；当PIN二极管截止时，该结构体处于断开工作状态，对中心辐射结构体产生的电磁场分布产生较小影响；当控制电路接收到一个特定指令后，其各个输出端口会响应出一个特定的电压电平，通过连接在控制电路各个输出端口的导线传输该电平信号来控制上述PIN二极管的通断，协同控制处于工作状态的引向结构体或反射结构体的分布，构成特定工作状态。
7.如权利要求6所述的多波束切换天线的控制方法，其特征在于，所述多波束切换天线的控制方法的天线根据方向图的形状，分为六种工作模式，其中不同工作模式中又可根据方向图的指向细分为各个不同的工作状态，实现根据特定的控制信号来实现各个波束的切换。
8.如权利要求7所述的多波束切换天线的控制方法，其特征在于，第一种工作模式，只有中心辐射结构体处于工作状态；
第二种工作模式，有中心辐射结构体、一个反射结构体和一个第一环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且三者位于同一直线上；波束指向与该模式下所处的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度；
第三种工作模式，有中心辐射结构体、三个反射结构体和一个第一环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且辐射、反射、引向结构体三者位于同一直线上，反射结构体指的是三个处于工作状态的反射结构体中位于中间的反射天线；波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度；
第四种工作模式，有中心辐射结构体、一个反射结构体、一个处于第一环绕圈上的引向结构体和一个处于第二环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且四者位于同一直线上，波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度；
第五种工作模式，有中心辐射结构体、两个反射结构体、两个处于第一环绕圈上的引向天线和两个处于第二环绕圈上的引向天线处于工作状态，波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度；
第六种工作模式，有中心辐射结构体、三个反射结构体、一个处于第一环绕圈上的引向结构体和一个处于第二环绕圈上的引向结构体处于工作状态，并且处于工作状态的中心辐射结构体、反射结构体、两个引向结构体位于同一直线上，反射结构体指的是三个处于工作状态的反射结构体中位于中间的反射结构体；波束指向与该模式下的工作状态有关，共六个指向，每个指向间隔60度。
9.一种无线基站，其特征在于，所述无线基站安装有权利要求1～5任意一项所述的多波束切换天线。
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