CN114512798B - 可重构天线及通信设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及天线技术领域，尤其涉及到一种可重构天线及通信设备。可重构天线包括第一天线和第二天线；第一天线为全向天线，第二天线围绕于第一天线；第二天线包括多个振子组，每个振子组包括传输线、开关、第一振子和第二振子，传输线连接第一振子和第二振子，传输线连接馈点，开关连接传输线上的第一点和第二点；第一振子的一端到第一振子与传输线的第一端的连接点的长度，传输线的第一端到传输线上的第一点的长度，传输线的第二端到传输线上的第二点的长度，以及第二振子的一端到第二振子与传输线的第二端的连接点的长度之和略大于1/2λ1，λ1为在第一天线的工作频率的电磁波的波长。本申请中的可重构天线能在全向、定向和高密模式之间进行切换。

Description

可重构天线及通信设备
技术领域
本申请涉及天线技术领域，尤其涉及到一种可重构天线及通信设备。
背景技术
随着无线通信信息系统的发展，通信系统对天线的要求也趋于多样化，例如宽带化、智能化，集成，低成本等要求。因此，共口径、可重构、波束赋形等天线设计技术受到大家的关注，在天线发展中具有重要的研究意义。
由于天线的应用场景不同，这就需要根据天线放置的位置以及人口密度的不同，辐射出不同形式的波束。但是，目前的天线只能够辐射一种或两种类型的波束，且能够辐射两种类型波束的天线的结构较为复杂。
因此，亟待一种能够辐射的范围能够适用于不同的环境的天线。
发明内容
本申请提供了一种可重构天线，能够在全向、定向和高密模式之间进行切换，以使该可重构天线可以分别辐射全向波束、定向波束及高密波束。
第一方面，本申请提供了一种可重构天线。可重构天线包括第一天线和第二天线，其中第一天线为全向天线，第二天线围绕在第一天线；第二天线包括多个振子组，多个振子组中每个振子组包括传输线、开关以及两个振子，其中，传输线的第一端连接两个振子中的第一振子，传输线的第二端连接两个振子中的第二振子，传输线连接馈点，开关连接传输线上的第一点和第二点，第一振子的一端到第一振子与传输线的第一端的连接点的长度，传输线的第一端到传输线上的第一点的长度，传输线的第二端到传输线上的第二点的长度，以及第二振子的一端到第二振子与传输线的第二端的连接点的长度之和略大于1/2λ1，λ1为在第一天线的工作频率的电磁波的波长。
本申请中的可重构天线，可以根据应用的场景，在全向模式、定向模式和高密模式进行切换，以使可重构天线能够分别辐射出全向波束、定向波束和高密波束，从而减少天线的数量和天线的空间占有率。具体而言，当第一天线(全向天线)工作，第二天线中，每个振子组的馈点不馈入能量、且开关均处于断开的状态时，此时，可重构天线中只有第一天线(全向天线)工作，以使可重构天线可以辐射全向电磁波；当第一天线(全向天线)工作，第二天线中，将一部分振子组中的开关打开，将另一部分振子组中的开关闭合，此时，开关闭合的振子组中，由于第一振子的长度、第二振子的长度、第一点到传输线的第一端的长度以及第二点到传输线的第二端的长度之和略大于1/2λ1，这样开关闭合的振子组作为反射器，能够将第一天线向该方向辐射的电磁波反射，以使第一天线辐射出的电磁波向第二天线中开关未闭合的振子组方向辐射，因此，可重构天线可以向预定的方向辐射电磁波；另外，第二天线围绕第一天线，即第二天线的口径大于第一天线的口径，当第一天线(全向天线)不工作，第二天线中，每个振子组中的馈点均馈入能量，每个振子组中的开关均打开，这样，第二天线辐射的波束与水平面的夹角变大，使波束覆盖范围变小。此时，可重构天线可以辐射高密电磁波。
需要说明的是，技术人员在对该可重构天线进行组装时，在每个振子组中，传输线先将两个振子连接，再在传输线上连接馈点，在连接馈点时，只要保证馈点经过传输线到两个振子的传输路径的长度相同即可；另外，每个振子组中的馈点的位置相同。
在一种可能实现的方式中，两个振子长度之和为0.5-1.2λ2，其中，λ2为在第二天线的工作频率的电磁波的波长。以使可重构天线在高密模式下，辐射的电磁波在预设的范围中。
在具体实施的过程中，为了保证可重构天线中的第二天线能够实现反射器的功能、且可以作为，第二天线中的振子与第一天线的距离为0.2-0.3λ1。
在一种可能实现的方式中，每个振子组中振子的形状为弧形，以使多个振子组在第一天线外侧围成圆形。且每个振子到可重构天线中心的距离为0.5-0.7λ2。
在一个具体的方案中，振子组的数量可以为两个、三个、四个或者五个；当振子组的数量为两个时，两个振子可以对称设置在第一天线的两侧；当第振子组为四个时，振子组可以呈环形设置于第一天线的周向。
在一种可能实现的方式中，第一天线和第二天线均集成在基板上。
在上述方案中，第一天线配置为全向天线，具体而言，第一天线可以包括多个第一振子组，每个第一振子组包括两个第三振子和将两个第三振子连接的第一传输线，且第一传输线上连接第一馈点；其中，每个第一振子组中，第一馈点距离两个第三振子的距离相同。第一天线辐射全向电磁波时，每个第三振子组上的第一馈点同时馈入能量。
需要说明的是，相邻的两个第一振子组上的两个第一传输线远离第一振子的一端可以短路连接，以使第一天线能够更加便捷的设置于基板上。
在具体设置多个第一振子组时，多个振子组可以以基板的中心呈旋转对称设置，或者是中心对称设置。
在一个具体方案中，第一振子组具体可以配置为三个、四个或者五个等，且当第一振子组为四个，四个第一振子组可以呈圆形设置，此时，围设于第一天线周向的第二天线可以呈圆形设置。
在具体设置第一天线时，为了保证第一天线工作时为全向天线，每个第一振子组中第三振子的长度为0.5-1λ1，第一传输线的长度为0.2-0.3λ1，第三振子的半径为0.2-0.4λ1，其中，λ1为在第一天线的工作频率的电磁波的波长。
第二方面，本申请还提供了一种通信设备，该通信设备具有上述任一技术方案中的可重构天线。其中，该通信设备具体可配置为基站或者WIFI设备。
附图说明
图1为本申请实施例提供的可重构天线处于三种模式时的辐射范围图；
图2为本申请实施例提供的可重构天线的一种结构示意图；
图3为本申请实施例提供的可重构天线中振子组的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的可重构天线中第二天线的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的可重构天线中第一天线的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的可重构天线的又一种结构示意图。
附图标记：
10-第一天线；100-第一振子组；110-第三振子；120-第一传输线；130-第一馈点；20-第二天线；200-振子组；210-第一振子；220-传输线；230-馈点；240-开关；250-第二振子；30-基板。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
为了便于理解本申请中可重构天线，对天线的原理进行介绍；以八木天线为例，八木天线包括三对振子，三对振子平行设置，且三对振子均设置于金属梁上。其中，与馈线相连的称有源振子，或主振子，位于三对振子之中的中间位置。比有源振子稍长一点的称反射器，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用；
其中，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，两者加起来刚好差180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。发射状态作用过程亦然。
一般可重构天线可以辐射的波束为全向波束、高密波束和定向波束；当可重构天线在水平面呈现360均匀辐射，在俯仰面上最大辐射方向与垂直天线向下方向的夹角为70°～80°时，为全向波束；当可重构天线俯仰面上最大辐射方向与垂直天线向下方向的夹角变小，使波束集中于较小的覆盖区域内时，为高密波束；其中，高密波束可以减小相邻的两个WIFI设备中接入点的交叠区域，以降干扰和噪声。当可重构天线在水平面不再呈现360均匀辐射，而呈现出了方向性，为定向波束。参照图1，图1中，A区域为可重构天线处于全向模式时信号辐射的区域；B区域为可重构天线处于高密模式时信号辐射的区域；C区域为可重构天线处于定向模式时信号辐射的区域。而当前的可重构天线仅可以辐射全向、定向和高密三种波束中的一种或两种，且当可重构天线可以在全向和定向之间切换时，会导致可重构天线的结构复杂化，使可重构天线的数量和占有空间增加。
为此，本申请提供了一种能够在全向、定向和高密模式之间进行切换，以使分别辐射全向波束、定向波束及高密波束的可重构天线。
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例对本申请提供的可重构天线作进一步地详细描述。
以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。
在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
在本申请提供的实施例中，可重构天线具有全向模式、定向模式和高密模式三种模式，以使该可重构天线可以根据其应用的场景，在全向模式、定向模式和高密模式进行切换，从而减小天线的数量和天线的空间占有率。
先对λ1和λ2进行说明，其中，λ1为在第一天线的工作频率的电磁波的波长，λ2为在第二天线的工作频率的电磁波的波长。
具体来说，参照图2，可重构天线可以第一天线10和第二天线20；其中，第一天线10为全向天线，第二天线20围绕第一天线；为了使可重构天线能够在全向模式、定向模式和高密模式进行切换。第二天线具体可以包括多个振子组200，每个振子组200可以包括传输线220、开关240以及两个振子，两个振子可以分别为第一振子210和第二振子250，其中，传输线220的第一端连接第一振子210，传输线220的第二端连接第二振子250，且传输线连接馈点230；另外，在传输线220上设有用于开关240连接的第一点和第二点，且传输线220的第一端到传输线220上的第一点的长度，传输线220的第二端到传输线220上的第二点的长度，以及第二振子250的一端到第二振子250与传输线220的第二端的连接点的长度之和略大于1/2λ1。当第一天线10(全向天线)工作，多个振子组200中的多个馈点230均不馈电，且多个开关240也均处于断开的状态时，可重构天线处于全向模式。当第一天线10(全向天线)工作，多个振子组200中的至少一个振子组200的开关240处于闭合状态，且多个振子组200中的也至少有一个开关240处于断开状态，多个振子组200中的馈点230均不馈入能量时，开关240闭合的振子组200中的第一振子210和第二振子230可以作为反射器，将第一天线10辐射至的电磁波反射，以使可重构天线处于定向模式。当第一天线10(全向天线)不工作，多个振子组200中，每个振子组200上的馈点240均馈入能量，每个振子组200上的开关230均处于断开的状态时，这样，第二天线20辐射的波束与水平面的夹角变大，波束覆盖范围变小，以使可重构天线处于高密模式。
需要说明的是，第一天线10和第二天线20均可集成于基板30上。
继续参照图2，在具体设置第二天线20时，每个振子组200中的第一振子210和第二振子250的长度之和为L1；每个振子组200中，第一振子210和第二振子250与第一天线的间距均为D1；每个振子组200上中第一振子210和第二振子250与第一天线中心的距离均为R1；具体而言，L1为0.5-1.2λ2，以使可重构天线中，第一天线10不工作、且第二天线20中的馈点240馈入能量，开关230均处于断开状态时，可重构天线处于高密模式，且可重构天线能够在预设的区域内辐射电磁波；D1为0.2-0.3λ1，R1为0.5-0.7λ2，可以使可重构天线中的第二天线20能够作为反射器、也可以成为高密模式下中的结构。
继续参照图2，在每一个振子组200中，为了保证传输线220连接的馈点230馈入能量传输到第一振子210和第二振子250的路径相同，传输线220具体可以配置成多种形式。例如：传输线220可以包括第一导线和第二导线，第一导线和第二导线分别具有第一端和第二端，第一导线的第一端与第一振子210连接，第二导线的第一端与第二振子250连接，第一导线的第二端和第二导线的第二端相互连接。其中，第一导线和第二导线的可以呈对称分布，第一导线和第二导线的部分可以相互平行，第一导线和第二导线的另一部分可以呈折弯型。或者，参照图3，传输线220包括分别与第一振子和第二振子连接的两条导线。其中，两条导线远离第一振子和第二振子的一端相互连接(即两条导线呈V型设置)。
需要说明的是，传输线220的形式还可为其他的类型。其中，传输线220包括的第一导线和第二导线的形式也可以不相同，第一导线和第二导线可以为对称设置的曲线。只要是能够保证传输线220实现足够的阻抗匹配即可。
在上述的方案中，振子组200的数量可以为二个、三个、四个、五个或六个等，具体而言，参照图4，当振子组200的数量为四个，四个振子组200呈圆形设置(即振子呈弧形设置)，此时，设置于多个振子组200内周的第一天线也可以呈圆形设置。结合图2和图4，沿顺时针的方向，第二天线20包括的四个振子组200上分别设置有a、b、c、d四个开关230，及1、2、3、4四个馈点240，当可重构天线为全向模式时，第一天线10工作，第二天线20上的a、b、c、d四个开关230均处于断开状态，且第二天线20上的1、2、3、4四个馈点240均不馈入能量。当可重构天线处于定向模式时，第一天线10工作，第二天线20上的1、2、3、4四个馈点240均不馈入能量，在a、b、c、d四个开关230中，可以关闭a、b、c、d中任意一个开关230，另外三个开关230处于断开状态。此时，开关230闭合的振子组200作为反射器，以使可重构天线的信号向设置有三个断开状态开关230的振子组200所在的方向辐射。或者在a、b、c、d四个开关230中，只有一个开关230处于断开状态，另外三个开关230处于闭合的状态，此时，开关230闭合的振子组200作为反射器，可重构天线的信号向设置有断开状态开关的振子组200所在的方向辐射。再者，a、b、c、d四个开关中，可以使a、b、c、d任意两个开关230闭合，另外，两个开关230处于断开状态，此时，开关230闭合的振子组200作为反射器，可重构天线的信号向设置有两个断开状态开关230的振子组200所在的方向辐射。当可重构天线处于高密模式时，第一天线10不工作，第二天线20上的1、2、3、4四个馈点240均馈入能量，每个振子组200上的开关240均处于断开的状态。
其中，开关230可以为二极管。
需要说明的是，为了调整每个振子组中第一振子和第二振子连接后的尺寸，及第一振子和第二振子作为反射器的尺寸，位于传输线上的开关及馈点均相对于传输线位置在装配的时候可以进行调整，且馈点设置在开关和第二天线振子之间，开关与馈点不重合。
参照图5，在上述的方案中，第一天线配置为全向天线。具体来说，第一天线可以包括多个第一振子组100，第一振子组100可以包括第一传输线120和两个第三振子110，第一传输线120用于将两个第三振子110连接。其中，在第一传输线120上设有第一馈点130，且能量在第一馈点130传输到两个第三振子110的路径相同。当第一天线10工作时，每个第一振子组100上的第一馈点130同时馈入能量。
在一个具体的方案中，第一振子组100具体可以为三个、四个、五个或者六个等，其中，当第一振子组100配置为三个时，三个第一振子组100可以呈圆形设置，且三个第一振子组100还可以以圆环的中线呈旋转对称。此时，每个第一振子组100上的第三振子110可以呈弧形设置。当第一振子组100配置为四个时，四个第一振子组100可以呈圆形、矩形或设置菱形等；此时，每个第一振子组上的第一振子可以呈直线形设置。
需要说明的是，当第一振子组设置为三个时，振子组可以设置为三个，且振子组与第一振子组沿基板径向方向一一对应分布；或者，当第一振子组设置为三个时，振子组可以设置为四个，第一振子组和振子组的数量配置要求不进行具体的限定，只要是能够满足可重构天线能够在全向模式、定向模式和高密模式之间切换即可。
继续参照图5，在一个具体的方案中，为了使第一天线更便于设置在基板上，相邻的两个第一振子组100上的两个第一传输线120远离第三振子110的一端可以相互连接，即相邻的两个第一振子组100上的两个第一传输线120为短路连接。
继续参照图5，为了保证每个第一振子组100中，从每个第一馈点130馈入的能量到该第一振子组100中的两个第三振子110的移动路径相同，使第一天线为全向天线。第一传输线120具体的结构形式可以为多种，例如：第一传输线130包括两条第三导线，且两条第三导线均具有第一端和第二端，其中，两条第三导线的第一端分别与两个第三振子110连接。当两条第三导线平行设置时，第一传输线130还包括第一连接线，第一连接线将两条第三导线的第二端连接，第一馈点130设置在两条平行的第三导线之间，且第一馈点130与两条第三导线的连接点与第三振子110之间的第三导线的长度相同。或者，当两条第三导线呈V型设置时(图中未示出)，两条第三导线的第一端分别与两个第三振子110连接，两条第三导线的第二端可以相互连接，第一馈点设置在两条的第三导线之间，且第一馈点130与两条第三导线的连接点与第三振子110之间的第三导线的长度相同。
需要说明的是，第一馈点在第一传输线上的位置可调，以调整第一天线的信号辐射的强度。
继续参照图5，在具体设置第一天线时，每个第一振子组100中的两个第三振子110的长度之和为L2，每个第一振子组100上第三振子110与第一天线中线的距离为R2，第一传输线与第三振子110连接的一端及远离第三振子110的一端的长度为D2。具体而言，为了保证第一天线工作时为全向天线，L2为0.5-1λ1，D2为0.2-0.3λ1，R2为0.2-0.4λ1，其中，具体第一天线各部分的尺寸，以保证第一天线能够辐射出全向电磁波。
结合参照图2和图5，第一振子组100为四个，四个第一振子组100配置成环形设置，振子组200也为四个，四个振子组200配置成圆形。沿顺时针的方向，第一天线10包括的四个第一振子组100上分别设有5、6、7、8四个第一馈点130，当可重构天线处于全向模式和定向模式时，第一天线10上的5、6、7、8四个第一馈点130同时馈入能量。
请参照图6，第一天线包括三个第一振子组100，第二天线包括六个振子组200，三个第一振子组100呈圆形设置，六个振子组200也呈圆形设置，且三个第一振子组100与六个振子组200中的三个对应设置。当三个第一振子组100中设置的三个第一馈点130同时馈入能量，六个振子组200中的六个馈点230不馈入能量，六个振子组200中的六个开关240均处于断开状态时，可重构天线处于全向模式。当三个第一振子组100中设置的三个第一馈点130同时馈入能量，六个振子组200中的六个馈点230不馈入能量。六个振子组200中的六个开关240中，可以使一个开关240处于闭合状态，或六个开关240中，可以使两个开关240处于闭合状态，其中，六个振子组200中，可以使三个开关240处于闭合状态，六个开关240中，最多可以使五个开关240处于闭合状态，且六个开关240中，需至少一个开关240处于断开的状态，这样，波束从开关240处于断开的振子组200所在的方向辐射，以使可重构天线处于定向模式。当三个第一振子组100中设置的三个第一馈点130均不馈入能量，六个振子组200中的六个馈点230同时馈入能量，六个振子组200中的六个开关240均处于断开的状态时，可重构天线处于高密模式。
本申请还提供了一种通信设备，该通信设备具有上述任一技术方案中的可重构天线。其中，该通信设备具体可配置为基站或者WIFI设备。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可重构天线，其特征在于，包括：
第一天线，所述第一天线为全向天线；
第二天线，所述第二天线围绕所述第一天线；
所述第二天线包括多个振子组，所述多个振子组中的每个振子组包括传输线、开关以及两个振子，其中，所述传输线的第一端连接所述两个振子中的第一振子，所述传输线的第二端连接所述两个振子中的第二振子，所述传输线连接馈点，所述开关连接所述传输线上的第一点和第二点；其中，所述第一振子的一端到所述第一振子与所述传输线的第一端的连接点的长度，所述传输线的第一端到所述传输线上的第一点的长度，所述传输线的第二端到所述传输线上的第二点的长度，以及所述第二振子的一端到所述第二振子与所述传输线的第二端的连接点的长度之和略大于1/2λ1，λ1为在所述第一天线的工作频率的电磁波的波长。
2.根据权利要求1所述的可重构天线，其特征在于，两个所述振子的长度之和为0.5-1.2λ2，其中，λ2为在所述第二天线的工作频率的电磁波的波长。
3.根据权利要求1所述的可重构天线，其特征在于，所述第一振子和所述第二振子与所述第一天线的距离为0.2-0.3λ1。
4.根据权利要求1或2所述的可重构天线，其特征在于，所述馈点连接于传输线上任意位置，且所述馈点与所述传输线第一端的距离和与所述传输线第二端的路径相同。
5.根据权利要求1-3任一项所述的可重构天线，其特征在于，每个所述振子组中振子的形状为弧形，所述多个振子组的振子围绕所述第一天线并形成圆形。
6.根据权利要求1-3任一项所述的可重构天线，其特征在于，所述第一振子和所述第二振子与所述可重构天线中心的距离为0.5-0.7λ2。
7.根据权利要求1-3任一项所述的可重构天线，其特征在于，所述振子组的数量为四个。
8.根据权利要求1-3任一项所述的可重构天线，其特征在于，还包括基板，所述第一天线和所述第二天线在所述基板上。
9.根据权利要求1-3任一项所述的可重构天线，其特征在于，所述第一天线的形状为圆形。
10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的可重构天线。
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