CN114651374B - 利用具有无源元件的智能天线实现的波束分集 - Google Patents

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Abstract

一种天线设备，包括多个偶极子天线和一个端口。所述多个偶极子天线中的每个偶极子天线连接到所述端口。所述偶极子天线围绕所述端口布置。所述多个偶极子天线中的每个偶极子天线包括两个端部。所述设备还包括多个无源元件。所述偶极子天线的所述端部和所述无源元件围绕所述端口相邻布置，使得所述多个无源元件中的每个无源元件位于所述多个偶极子天线中两个不同的天线的端部之间。所述天线设备还包括一个或多个开关，所述一个或多个开关用于在全向状态与定向状态之间切换，在所述全向状态下，所述偶极子天线的所述端部未连接到所述多个无源元件，在所述定向状态下，所述多个无源元件中的一个无源元件的至少一个端部连接到所述多个天线中的一个天线的至少一个端部。

Description

利用具有无源元件的智能天线实现的波束分集
相关申请的交叉引用
本申请涉及由本申请的发明人在同一日提交的、发明名称为“利用不具有无源元件的智能天线实现的波束分集(Beam Diversity by Smart Antenna Without PassiveElements)”的第86175176PCT01号公诉人案卷的PCT申请，该申请的内容通过全文引用的方式并入本文中。
技术领域
在本发明的一些实施例中，涉及一种天线设备，更具体地但非排他性地，涉及可与Wi-Fi接入点一起使用的天线设备。
背景技术
Wi-Fi是一种基于IEEE标准802.11的无线LAN标准，广泛用于家庭、办公室和其它室内/室外环境。Wi-Fi在2个频段(2.4GHz频段和5GHz频段)操作，并管理接入点与客户端(计算机、智能手机、各种设备等)之间的通信。Wi-Fi协议的开发是为了在接入点覆盖区域的任意位置向众多用户提供服务。换句话说，接入点需要覆盖其运营的整个区域。因此，Wi-Fi天线通常具有全向波束，以实现宽覆盖。
任何Wi-Fi系统的最终目标都是为每个用户提供尽可能高的吞吐量。实现该目标需要强信号，以实现良好的信干噪比(signal to interference and noise ratio，SINR)。实现该目标在必要时还需要窄的定向波束，该波束可以在特定用户的方向上以高增益定向，同时减少对其它小区的干扰。因此，理想的Wi-Fi接入点应能够交替发射全向波束和发射窄的定向波束。
已知用于在Wi-Fi天线中交替或多样化波束覆盖的各种方案。其中一个方案是基于反射器和导向器的使用。这种现有技术Wi-Fi天线的工作原理是基于众所周知的八木-宇田(Yagi-Uda)天线。八木-宇田天线是一种定向天线，由排成一行的多个平行元件组成，这些元件通常是由金属棒制成的半波偶极子。八木-宇田天线由通过传输线连接到发射器或接收器的单个受激元件以及未连接到发射器或接收器的附加寄生元件(反射器和一个或多个导向器)组成。反射器和导向器以不同的相位吸收和重新辐射来自受激元件的无线电波，从而修改偶极子的辐射模式。来自多个元件的波叠加和干扰，以增强单一方向的辐射，从而实现天线增益的非常大幅度的定向增加。
八木-宇田概念已应用于Wi-Fi接入点的天线元件，以使接入点能够发射不同的信号模式。例如，Wi-Fi接入点可以由一种具有一个有源元件和大量无源元件的结构组成，该有源元件在结构的中心具有两个垂直双锥形偶极子，这些大量无源元件在其周围以几个不同直径的圆形阵列布置。每个无源元件由几个非常短的金属部分(例如，短于波长的1/5)制成，可以通过二极管被短接到一个长的无源元件(约0.5波长)，或保持开路。因此，短接无源元件会将它们从导向器变为反射器，从而改变Wi-Fi接入点的定向增益。在另一个示例中，各种无源元件可以串联布置，其中，二极管配置在这些无源元件之间。当二极管截止时，无源元件充当导向器。当二极管导通时，无源部分的长度会扩大，并充当反射器。
用于修改Wi-Fi接入点传输的另一个已知模型涉及选择性地激活多个辐射偶极子中的一个，每个辐射偶极子连接到接地组件。一个或多个有源偶极子的选择可以通过操作馈电线上输入端附近的每个偶极子上的串联开关(例如二极管)来完成。辐射偶极子具有不同的尺寸或配置。每个偶极子可以根据所需信号的类型或特性来选择。
多样化Wi-Fi接入点信号的另一个模型涉及在单个Wi-Fi接入点中集成水平极化元件和垂直极化元件两者。该模型不会改变任何信号特性，而是将各种信号集成到单个接入点中。
发明内容
用于修改Wi-Fi天线中的信号的上述模型都依赖于在天线系统中包括额外的、占用空间的元件。例如，依赖于八木-宇田原则需要包括大量无源设备，作为导向器和反射器。类似地，从多个辐射偶极子中选择需要包括附加的辐射偶极子。此外，使用水平极化元件和垂直极化元件两者会在接入点中添加一个或多个辐射偶极子，并且对于标准Wi-Fi接入点没有用，因为在标准Wi-Fi接入点中，有一个仅水平极化或垂直极化的天线。
此外，上述模型及其各种附加无源元件、有源偶极子和/或具有多种极化的天线需要具有更大面积或占地面积的接入点。对于企业级Wi-Fi接入点来说，多余的空间是一个特别重要的考虑因素。企业级Wi-Fi接入点支持2或3个频段，针对5GHz有8或16根天线，针对2.4GHz有另外4根天线。因此，每个天线所需的附加元件将大大增加天线设备的尺寸要求。
因此，需要一种智能天线设备，其提供在全向覆盖与定向波束覆盖之间交替辐射波束的能力。此外，还需要一种智能天线设备，其可以响应操作环境中的动态变化，以便正确选择何时利用全向波束覆盖或定向波束覆盖。此外，还需要一种智能天线设备，其具有占用最小空间的天线。
因此，本发明的一个目的是提供一种智能天线设备，该智能天线设备具有在全向覆盖与指向覆盖区域内特定扇区的定向波束覆盖之间交替辐射波束的能力。
上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实现方式在从属权利要求、具体实施方式和附图中显而易见。
根据第一方面，天线设备包括多个偶极子天线和一个端口。所述多个偶极子天线中的每个偶极子天线连接到所述端口，并且所述多个偶极子天线围绕所述端口布置。所述多个偶极子天线中的每个偶极子天线包括两个端部。所述天线设备还包括多个无源元件。所述多个偶极子天线的所述端部和所述多个无源元件围绕所述端口相邻布置，使得所述多个无源元件中的每个无源元件位于所述多个偶极子天线中两个不同的天线的端部之间。所述天线设备还包括一个或多个开关，所述一个或多个开关用于在全向状态与定向状态之间切换，在所述全向状态下，所述多个偶极子天线的所述端部未连接到所述多个无源元件，在所述定向状态下，所述多个无源元件中的一个无源元件的至少一个端部连接到所述多个天线中的一个天线的至少一个端部。
该方面的优点在于：天线设备可以仅使用位于偶极子天线阵列周边的无源元件在全向状态与定向状态之间切换。这可以在不增加天线设备的空间要求的情况下实现模式切换。在全向状态下，当偶极子天线彼此未连接时，天线设备在方位平面中提供高增益图案。当偶极子天线对中一个或多个偶极子天线中的每个偶极子天线的两个端部彼此连接时，天线设备也可以转换为方位平面中的高增益定向图案。
在所述第一方面提供的天线设备的一种实现方式中，在所述定向状态下，所述多个无源元件中的一个无源元件的至少两个端部连接到两个不同的天线，从而将所述两个不同的天线转换为具有两个馈电点的单个长辐射元件。有利地，至少两个组合偶极子天线因此用作单个长辐射元件天线，从而增加了定向增益。
在所述第一方面提供的天线设备的另一种可能的实现方式中，所述多个偶极子天线和所述多个无源元件以基本上矩形或基本上圆形的取向围绕所述端口布置。有利地，这些示例性取向非常适合提供全向信号。
在所述第一方面提供的天线设备的另一种可能的实现方式中，所述多个偶极子天线水平布置在接地层上方。接地层可以作为偶极子天线的天线波的反射面，以增加天线设备在全向状态和定向状态下的增益。
在所述第一方面提供的天线设备的另一种可能的实现方式中，所述多个偶极子天线包括至少三个偶极子天线。需要至少三个偶极子天线，以便区分所有天线未彼此连接时的全向状态与至少两个天线彼此连接且至少一个天线未连接时的定向状态。
在所述第一方面提供的天线设备的另一种可能的实施例中，整个方位平面的增益至少为4dBi。方位平面中的这种增益使得天线能够用于将Wi-Fi信号发送到适当大的区域。
在所述第一方面提供的天线设备的另一种可能的实现方式中，所述全向状态与所述定向状态之间的增益差至少为3dB。有利地，与全向状态下期望方向上的增益相比，定向状态下该方向上的增益的差异是适当显著的。
在所述第一方面提供的天线设备的另一种可能的实现方式中，所述天线设备还包括用于连接和断开每个无源元件和相邻天线的电子电路，以及用于确定哪个无源元件连接到相邻天线以在定向状态下引导所述天线设备的天线波束朝向一个或多个移动设备的位置的控制算法。在该实现方式中，天线设备因此是智能天线的一部分，可以根据环境的需要(例如，移动设备在天线设备的给定范围内的位置)在全向状态与定向状态之间来回切换。
在所述第一方面提供的天线设备的另一种可能的实现方式中，所述一个或多个开关包括二极管、晶体管和电子开关中的至少一个。开关可以与控制算法集成，该控制算法用于使智能天线在全向状态与定向状态之间切换。
在本发明的第二方面中，公开了一种用于将天线设备从全向状态切换到定向状态的方法。所述天线设备包括多个偶极子天线和一个端口。所述多个偶极子天线中的每个偶极子天线连接到所述端口。所述多个偶极子天线围绕所述端口布置。所述多个偶极子天线中的每个偶极子天线包括两个端部。所述天线设备还包括多个无源元件，所述多个无源元件可互换地围绕所述端口布置，使得所述多个无源元件中的每个无源元件位于所述多个偶极子天线中两个不同的天线之间。所述天线设备还包括一个或多个开关，所述一个或多个开关用于在(1)全向状态与(2)定向状态之间切换，在所述全向状态下，所述多个偶极子天线的所述端部未连接到所述多个无源元件，在所述定向状态下，所述多个无源元件中的一个无源元件连接到所述多个偶极子天线中的一个偶极子天线的至少一个端部。所述方法包括：操作一个或多个开关，以将所述多个无源元件中的所述至少一个无源元件的至少一个端部连接到所述多个偶极子天线的至少一个端部，并因此将所述天线设备从所述全向状态切换到所述定向状态。
该方面的优点在于：该方法可用于仅使用位于偶极子天线阵列周边的无源元件使天线设备在全向状态与定向状态之间切换。这可以在不增加天线设备的空间要求的情况下实现模式切换。在全向状态下，当偶极子天线彼此未连接时，天线设备在方位平面中提供高增益图案。当偶极子天线对中一个或多个偶极子天线中的每个偶极子天线的两个端部彼此连接时，天线设备也可以转换为方位平面中的高增益定向图案。
在所述第二方面提供的方法的一种实现方式中，所述方法包括将所述多个无源元件中的至少一个无源元件连接到两个不同的天线，从而将所述两个不同的天线转换为具有两个馈电点的单个长辐射元件。有利地，在定向状态下，至少两个组合偶极子天线因此用作单个长辐射元件天线。
在所述第二方面提供的方法的一种实现方式中，所述方法还包括在至少一个方向上增加所述全向状态与所述定向状态之间至少3dB的增益。有利地，与全向状态下期望方向上的增益相比，定向状态下该方向上的增益的差异是适当显著的。
在所述第二方面提供的方法的一种实现方式中，所述方法还包括确定引导所述天线设备的天线波束朝向一个或多个移动设备的位置的方向。在该实现方式中，天线设备是智能天线的一部分，可以根据环境的需要(例如，移动设备在天线设备的给定范围内的位置)在全向状态与定向状态之间来回切换。
在所述第二方面提供的方法的一种实现方式中，所述方法还包括确定何时将所述天线设备恢复到所述全向状态，并操作所述一个或多个开关，并因此将所述天线设备从所述定向状态切换回所述全向状态。在该实现方式中，天线设备是智能天线的一部分，可以根据环境的需要(例如，移动设备在天线设备的给定范围内的位置)在全向状态与定向状态之间来回切换。
除非另有定义，否则本文所使用的所有技术和/或科学术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同。尽管与本文所描述的方法和材料类似或等效的方法和材料可以用于本发明实施例的实践或测试，但下文还是描述了一些示例性方法和/或材料。如有冲突，以本专利说明书(包括定义)为准。另外，这些材料、方法和示例仅是说明性的，并不一定具有限制性。
附图说明
本文仅通过示例结合附图描述了本发明的一些实施例。具体结合附图详细说明，需要强调的是，所示细节通过示例示出并出于对本发明实施例的说明性探讨。这样，根据附图说明，如何实践本发明实施例对本领域技术人员而言是显而易见的。
在附图中：
图1描述了本发明的一些实施例提供的处于全向状态的天线设备；
图2描述了本发明的一些实施例提供的由处于全向状态的图1的天线设备产生的近电场；
图3描述了本发明的一些实施例提供的在θ＝135°的方位平面中获得的由处于全向状态的图1的天线设备产生的远电场；
图4A和图4B描述了本发明的一些实施例提供的球形地围绕图1的天线设备测得的天线设备实现的总增益；
图5描述了本发明的一些实施例提供的处于全向状态的图1的天线设备的阻抗匹配；
图6描述了本发明的一些实施例提供的处于定向状态的图1的天线设备；
图7描述了本发明的一些实施例提供的由处于定向状态的图6的天线设备产生的近电场；
图8描述了本发明的一些实施例提供的在θ＝135°的方位平面中获得的由处于定向状态的图6的天线设备产生的远电场；
图9A和图9B是本发明的一些实施例提供的球形地围绕处于定向状态的图6的天线设备测得的天线设备实现的总增益；
图10描述了本发明的一些实施例提供的处于定向状态的图6的天线设备的阻抗匹配；
图11描述了本发明的一些实施例提供的将天线设备从全向状态切换到定向状态的方法的步骤。
具体实施方式
在本发明的一些实施例中，涉及一种天线设备，更具体地但不排他性地，涉及可与Wi-Fi接入点一起使用的天线设备。
在详细描述本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明的应用不一定局限于以下描述和/或附图和/或示例中所示的组件和/或方法的具体构造和布置。本发明存在其它实施例，或者本发明能够以各种方式实践或执行。
参考图1，天线设备10包括多个偶极子天线14，每个偶极子天线14电连接到端口12。端口12通过导线13电连接到电源15。多个偶极子天线14可以布置在FR-4衬底上，或布置在任何其它合适的衬底上，例如印刷电路板上。多个偶极子天线水平地布置在接地层20上方。接地层20是在偶极子天线14下面延伸的平坦或几乎平坦的水平导电表面。为了清楚起见，接地层20可以在所有方向上进一步向外延伸，并且可以具有任何合适的尺寸。接地层可以用作偶极子天线14的天线波的反射面，以增加天线设备10的增益。
在所示的实施例中，有三个偶极子天线14。三个偶极子天线14的选择仅仅是示例性的，并且可以有更少或更多的偶极子天线14。在一个优选实施例中，有至少三个偶极子天线14。每个偶极子天线14不对称地配置有连接到端口12的馈电臂11，以及臂16和臂18。在所示的实施例中，臂16和臂18的长度大致相等。但是，臂16和臂18也可以是不对称的。偶极子天线14的总长度可以是发射信号的波长的一半。因此，例如，对于以5GHz发射的信号，在自由空间中的波长为60mm，在FR4衬底上的波长为约30mm，并且印刷在FR4衬底上的偶极子天线14的两个臂的总长度为约15mm。
偶极子天线14以闭合形状围绕端口12配置。在所示的实施例中，闭合形状是圆形；但是，闭合形状也可以是矩形或任何其它多边形。
无源元件17配置在天线的臂16、臂18之间。无源元件17是金属条。无源元件17配置在围绕端口12的圆形或多边形阵列的周边上。每个无源元件的长度也大约是发射波长的一半，例如，对于5GHz信号，为15mm。
无源元件17邻近偶极子天线14的臂16、臂18配置。无源元件17和臂16、臂18限定了围绕天线阵列周边的结点。在所示的实施例中，有三个天线14，其中有六个结点21、22、23、24、25和26。臂16、臂18的端部在对应的无源元件17上方，或在几乎接触无源元件17的同一平面中。
开关30布置在每个结点21-26处。开关30包括用于连接和断开无源元件17和偶极子天线14的相邻臂16、臂18的电子电路。该电子电路可以是例如二极管、晶体管和/或电子开关。开关30可在“接通”位置与“断开”位置之间切换，在“接通”位置中，电子电路在相邻的无源元件17和臂16、臂18之间形成闭合或短路电路，在“断开”位置中，无源元件17和臂16、臂18个保持断开。在图1的实施例中，每个开关30被描绘成空心圆，指示该开关处于“断开”位置。开关30可以连接到具有用于确定是否在每个结点21-26处操作开关30的控制算法的远程处理器(未示出)。远程处理器和控制算法可用于使天线设备10在全向状态与定向状态之间来回切换，如本文将进一步讨论。
在图1的实施例中，由于每个开关30处于“断开”位置，因此天线设备10在天线设备10的整个圆周上具有相同的配置。因此，天线设备10产生全向电场，如将结合图2至图4讨论，并且被认为处于全向状态。
图2描述了当天线设备10处于全向状态时，沿着每个偶极子天线14产生的电场。电场的强度以伏特/米(V/m)为单位测量。出于说明的目的，电场的强度被划分为五个区域。应当认识到，天线设备10上的电场变化是连续的，而不是离散的，并且每个特定区域的电场的以下近似仅用于一般解释的目的。在区域42中，在馈电臂11上和天线设备10的周边(臂16、臂18和无源元件17的区域，该区域与天线设备10的其余部分不连接)上，电场在100V/m与1,680V/m之间。在区域43中，在馈电臂11上和在天线设备10的周边上，电场在1,680V/m与3,787V/m之间。在区域44中，在馈电臂11上和在天线设备10的周边上，电场在3,787V/m与5,893V/m之间。在区域45中，在馈电臂11上和在天线设备10的周边上，电场在5,893V/m与6,947V/m之间。最后，在对应于偶极子天线14最接近端口12的一部分的区域46处，以及在天线臂16的一小部分处，电场在6,947V/m与8,000V/m之间。可以看出，电场围绕天线14的周边对称，并且天线设备10的拐角32、34、36和38处的电场没有有意义的区别。
图3描述了处于全向状态的天线设备10产生的远电场。在频率为5.5GHz、θ为135°下，将远电场48测量为方位平面图，单位为dBi。如可以看到，在方位平面的整个圆周上测得远电场48超过4dBi并且接近6dBi。远电场48具有全向轮廓的原因是图2所示的近电场具有圆形对称性。因此，远电场48具有低纹波全向图案。
图4A和图4B描述了由处于全向状态的天线设备10产生的增益50。图4A示出了增益50轮廓在三维中的形状，图4B描述了三维轮廓中不同区域的增益50的值，以dBi为单位。如可以在图4A和图4B中看到，在全向状态下，增益50可以沿着近似椭球图测量。此外，如图4A中最清楚地看到，增益在沿着方位平面的每个点(即，沿着X-Y平面的横截面)处近似等值。如图4B所示，在区域51中实现的增益为–23.911dBi至–14.342dBi；在区域52中，实现的增益在–14.432dBi至–4.7726dBi之间；在区域53中，实现的增益在–4.7226dBi至1.1967dBi之间；在区域54中，实现的增益在1.1967dBi至2.4042dBi之间；在区域55(最大区域)中，实现的增益在2.2042dBi与4.7965dBi之间；在区域56中，实现的增益在4.7965dBi左右。整个三维轮廓上的增益的差异是连续的，而不是离散的，并且区域51至56仅出于一般说明的目的而绘制。图4A和图4B证明了天线设备10可以在三维中产生至少4dBi的增益。
图5描述了处于全向状态的天线设备10的阻抗匹配。在电子学中，阻抗匹配是设计电负载的输入阻抗或其对应信号源的输出阻抗，以最大限度地提高功率传输或最大限度地减少负载的信号反射的实践。在图5中，示出了S11在5.15GHz至5.85GHz频率范围内的匹配。如本领域技术人员所知，S11是天线效率的度量，其表示从天线反射的功率量。该度量被称为反射系数或回波损耗。例如，如果S11为0dBi，则所有功率都从天线反射，而没有辐射。如果S11小于0dBi，则表示功率的一部分从天线辐射。S11的负值越大，从天线反射的功率就越少，从天线辐射的功率就越多。
如图5所示，在5.150GHz时，回波损耗或匹配(在Y轴上指示)为–10.3382分贝；在5.500GHz时，匹配为–14.3404分贝，在5.850GHz时，匹配为–28.7257分贝。因此，每个偶极子天线14在5.150GHz与5.850GHz之间的所有频率下有效发射，并且从测量范围来看，在5.850GHz下最有效地发射(即，吸收最少的功率，并且辐射最好)。
现在关注图6至图10，示出了处于定向状态的天线设备10。图6示出了天线设备10，其与图1中所示的天线设备10相同，但有以下例外：在图1中，与结点21-26关联的每个开关30为“断开”；在图6中，与结点22和23关联的开关30为“接通”，因此被描绘成实心圆，而其它开关30为“断开”，因此被描绘成空心圆。
在结点22和23处接通开关30的效果是将两个相邻的偶极子天线14组合成具有两个馈电点的单个长辐射元件或偶极子天线19。因此，组合的偶极子天线19从结点21延伸通过结点22和23(现在被闭合，包括位于结点22与结点23之间的无源元件17)，并延伸到结点24。另一个偶极子天线14和无源元件17保持原样。因此，两个组合的偶极子天线14和无源元件17用作单个偶极子天线。组合两个偶极子天线14的结果是改变这些偶极子天线上的电流分布。具体地，与单独的偶极子天线14中的能量相比，组合的偶极子天线19中的能量更低。相对于组合偶极子天线14的方向，这增加了在与组合的偶极子天线19直接相反的方向上的定向增益。
值得注意的是，开关30的使用使得天线设备10能够仅使用位于偶极子天线阵列周边的无源元件17在定向状态与全向状态之间切换。这实现了在不增加天线设备10的空间要求的情况下进行模式切换。模式切换基于使用无源元件17将多个偶极子天线14彼此耦合。
图7描述了当天线设备10处于定向状态时，沿着每个偶极子天线14和组合的偶极子天线19产生的电场。电场的强度以伏特/米(V/m)为单位测量。电场的强度被划分为与图2相同的五个区域42、43、44、45、46。如上文结合图2所描述，应当认识到，天线设备10上的电场变化是连续的，而不是离散的，并且每个特定区域的电场的近似仅用于一般解释的目的。
如图7所示，与图2的电场相比，在定向模式下，电场围绕整个天线设备10不对称。例如，在不属于组合的偶极子天线19的无源元件17中实现的最大能量位于最高能量区域46中。这种高能量区域例如位于结点21、24、25和26处。但是，在闭合的结点22、23处不存在这种高能量区域46。
图8描述了处于定向状态的天线设备10产生的远电场。在频率为5.5GHz、θ为135°下，将远电场60测量为方位平面图，单位为dBi。如可以看到，远电场60在30°与150°的角度之间超过6dBi。在低于30°和高于150°的角度下，远电场60低于6dBi，并且在–90°与–150°之间，远电场60下降到0dBi以下。远电场60具有非对称轮廓的原因是图7所示的近电场中的不对称性。偶极子上的不对称近电场在远电场中与组合的天线19相反的方向上产生强方向性。
图9A和图9B描述了处于定向状态的天线设备产生的增益62。图9A示出了增益62轮廓在三维中的形状，图9B描述了三维轮廓中不同区域的增益62的值，以dBi表示。如可以在图9A和图9B中看到，在定向状态下，高增益区域64、66呈现近似半球形轮廓。低增益区域(如区域72和74)呈现更有限的轮廓，并且大致对应于图8中所示的远电场的低增益区域。
如图9B所示，所实现的增益是强方向性的。在区域64中，实现的增益约为8.0800dBi；在区域66中，实现的增益为4.9408dBi至8.0800dBi；在区域68中，实现的增益为–1.3388dBi至4.9404dBi；在区域70中，实现的增益为–4.4783dBi至–1.3388dBi；在区域72中，实现的增益为–7.8179dBi至–4.4783dBi；在区域74中，实现的增益为–20.176dBi至–7.8179dBi。
从图8、图9A和图9B中实现的增益与图3、图4A和图4B中实现的增益的比较可以看出，定向状态下的最大增益比全向状态下的最大增益大3dB以上。例如，图9B的区域64中的最大增益是8.0800dBi，而图4B的区域56中的最大增益是4.7695dBi。因此，与全向状态下期望方向上的增益相比，定向状态在该方向上提供了明显更高的增益。
图10描述了处于定向状态的天线设备10的阻抗匹配。在图10中，示出了S11在约5.50GHz的频率下的匹配。如图10所示，在5.150GHz时，匹配(在Y轴上指示)为–11.6898分贝；在5.500GHz时，匹配为–16.4896分贝，在5.850GHz时，匹配为–14.9166分贝。
图10和图5的比较表明，在全向状态和定向状态下，存在匹配低于–10分贝的宽带频率。具体地，在5.150GHz至5.850GHz的整个范围内，匹配低于–10分贝。
无源元件17的存在在实现上述宽带匹配方面发挥着重要作用。智能天线设计中的主要问题之一是匹配。在所描述的实施例中，在单个馈电网络上存在三个偶极子天线14的阵列。通常，通过仔细设计偶极子及其馈电网络，可以获得对单个状态(例如，所描绘实施例的全向状态)的良好匹配。但是，在所描述的实施例中，需要设计在全向和定向两种状态下提供良好匹配的单个馈电网络。通过对无源元件17的精心设计，即，通过对它们的长度和宽度(例如，长度是发射波长的一半)的具体计算，可以在全向和定向模式下实现宽匹配(基于两个偶极子天线14和一个无源元件17变成具有两个激励点的单个辐射元件19的原理)。
与替代设备相比，所描述的天线设备10具有许多其它优点。天线设备10的结构具有小的外形尺寸，这使得它能够包括在小尺寸接入点中。此外，在全向模式下实现高增益的能力能够以相对较高的传输功率(高有效各向同性辐射功率(effective isotropicradiation power，EIRP))实现低误差矢量幅度(error vector magnitude，EVM)。此外，定向模式下波束偏转的独特机制提供了高额外增益。可以非常简单地制造天线设备10，例如作为PCB迹线天线，因此具有成本效益。
图11描述了本发明的一些实施例提供的将天线设备10从全向状态切换到定向状态的方法100的步骤。天线设备10包括多个偶极子天线14和一个公共端口12。多个偶极子天线14中的每个偶极子天线14连接到公共端口12。多个偶极子天线14围绕端口12布置。多个偶极子天线14中的每个偶极子天线14包括两个端部16、18。天线设备还包括多个无源元件17，所述多个无源元件17可互换地围绕端口12布置，使得多个无源元件17中的每个无源元件17位于多个偶极子天线14中两个不同的天线14之间。天线设备10还包括一个或多个开关30，所述一个或多个开关30用于在(1)全向状态与(2)定向状态之间切换，在所述全向状态下，偶极子天线14的端部16、18未连接到多个无源元件17，在所述定向状态下，多个无源元件17中的至少一个无源元件17连接到多个偶极子天线14中的一个偶极子天线14的至少一个端部16、18。
当天线设备10处于全向状态(其可以是默认状态)时，该方法开始。在步骤101中，设备10可选地确定定向状态下的期望场方向。该确定可以基于例如当一个或多个移动设备在相对于天线设备10的特定方向上聚集时，对天线设备10附近的一个或多个移动设备的检测。天线设备可以是智能天线的一部分，可以根据环境的需要(例如，在天线设备的给定范围内对移动设备的感测)在全向状态与定向状态之间来回切换。
在步骤102中，操作一个或多个开关30，以将天线设备10从全向状态切换到定向状态，使得设备10将在期望方向上产生定向场。操作步骤102包括将天线设备10从无源元件17的端部和偶极子天线14的端部未彼此连接的全向状态切换到多个无源元件17中至少一个无源元件17的至少一个端部连接到多个偶极子天线14中的一个偶极子天线14的至少一个端部的定向状态。更具体地，操作步骤102包括操作一个或多个开关30以连接相邻的无源元件17和偶极子天线14。
有利地，该方法可用于仅使用位于偶极子天线阵列周边的无源元件使天线设备在全向状态与定向状态之间切换。这可以在不增加天线设备的空间要求的情况下实现模式切换。在全向状态下，当偶极子天线彼此未连接时，天线设备在方位平面中提供高增益图案。当偶极子天线对中一个或多个偶极子天线中的每个偶极子天线的两个端部彼此连接时，天线设备也可以转换为方位平面中的高增益定向图案。
在步骤103中，该方法还包括确定何时将天线设备恢复回全向状态。该确定可以基于对天线设备10附近(例如在围绕天线设备10的多个方向上)的一个或多个移动设备的检测。在步骤104中，该方法还包括操作一个或多个开关30，从而将天线设备从定向状态切换回全向状态。在该实现方式中，天线设备10是智能天线的一部分，可以根据环境的需要(例如，移动设备在天线设备10的给定范围内的位置)在全向状态与定向状态之间来回切换。
在步骤105中，重复该方法。也就是说，在相对于天线设备10的单个方向上检测到一个或多个设备时，天线设备10可以以上述方式切换回定向状态。
如本领域技术人员可以理解，对上述天线设备10的电场、增益和阻抗匹配的测量中的每个测量都是针对天线设备10的一个特定实施例。天线设备10的各种参数的调整都影响电场、增益和阻抗匹配，各种参数例如臂16、臂18的长度、无源元件17的长度、馈电臂11的长度、偶极子天线14和无源元件17围绕端口12的取向、由偶极子天线14和无源元件17形成的闭合形状的结构、接地层20相对于偶极子天线14的尺寸和位置以及从电源15传递的能量。因此，应以示例性意义而非限制性意义来理解上述值。
已出于说明的目的提供本发明的各种实施例的描述，并不旨在穷举或局限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域技术人员而言是显而易见的。选择本文所使用的术语是为了更好地解释实施例的原理、实际应用或优于市场中发现的技术的技术改进，或者是为了使本领域其它技术人员能够理解本文公开的实施例。
预计在专利到期期间，将开发许多相关的偶极子天线和无源元件，术语偶极子天线和无源元件的范围旨在先验地包括所有此类新技术。
本文所使用的术语“约”是指±10％。
术语“包括”、“具有”以及其变化形式表示“包括但不限于”。该术语包括了术语“由……组成”以及“主要由……组成”。
短语“主要由……组成”表示组成物或方法可以包括附加的成分和/或步骤，但前提是附加的成分和/或步骤不会实质上改变所要求的组成物或方法的基本和新颖特性。
除非上下文另有明确说明，否则本文所使用的单数形式“一个(a/an)”和“所述(the)”包括复数含义。例如，术语“一种复合物”或“至少一种复合物”可以包括多种复合物，包括其混合物。
本文所使用的词语“示例性的”表示“作为一个示例、实例或说明”。任何被描述为“示例性的”实施例不一定解释为比其它实施例更优选或更有利，和/或排除其它实施例的特征的结合。
本文所使用的词语“可选地”表示“在一些实施例中提供且在其它实施例中没有提供”。本发明的任何特定实施例都可以包括多个“可选的”特征，除非这些特征有冲突。
在本申请中，本发明的各种实施例可以通过范围格式呈现。应理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁起见，不应被解释为对本发明范围的固定限制。因此，对于范围的描述应被认为已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单个数值。例如，对于例如从1到6的范围的描述应被视为已具体公开了从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等的子范围以及该范围内的单个数字例如1、2、3、4、5和6。不论范围有多广，这都适用。
当本文指示一个数字范围时，表示包括所指示的范围内的任何所列举的数字(分数或整数)。短语“在第一个所指示的数和第二个所指示的数范围内”以及“从第一个所指示的数到第二个所指示的数范围内”和在这里互换使用，表示包括第一个和第二个所指示的数以及二者之间所有的分数和整数。
应了解，为清楚起见，在不同实施例的上下文中描述的本发明的某些特征还可以组合提供于单个实施例中。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可以单独提供、以任何合适的子组合提供，或适合于本发明的任何其它描述的实施例。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不应当被认为是这些实施例的基本特征，除非在没有这些元件的情况下实施例是不可操作的。
尽管已结合本发明的具体实施例描述本发明，但显然，对于所属领域的技术人员来说，许多替代方案、修改以及变化将是显而易见的。因此，本发明是为了涵盖属于所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有这类替代方案、修改和变化。
本说明书中所提及的所有公开、专利和专利申请都在本文中以全文引用的方式并入本说明书中，程度如同每一单独的公开、专利或专利申请被专门并且单独地指示以引用的方式并入本文中一般。此外，本申请中对任何参考文件的引用或鉴别不应理解为承认该参考文件是作为本发明的现有技术可获得的。对于章节标题而言，它们不应当被解释为必然的限制。

Claims (12)

1.一种天线设备，其特征在于，包括：
至少三个偶极子天线和一个端口，其中，所述至少三个偶极子天线中的每个偶极子天线连接到所述端口，所述至少三个偶极子天线围绕所述端口布置，并且所述至少三个偶极子天线中的每个偶极子天线包括两个端部；
多个无源元件，其中，所述至少三个偶极子天线的所述端部和所述多个无源元件围绕所述端口相邻布置，使得所述多个无源元件中的每个无源元件位于所述至少三个偶极子天线中两个不同的偶极子天线的端部之间；
一个或多个开关，用于在全向状态与定向状态之间切换，在所述全向状态下，所述至少三个偶极子天线的所述端部未连接到所述多个无源元件，在所述定向状态下，所述多个无源元件中的一个无源元件的两个端部连接到两个不同的偶极子天线，从而将所述两个不同的偶极子天线转换为具有两个馈电点的单个长辐射元件。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述多个偶极子天线和所述多个无源元件以基本上圆形或基本上矩形的取向围绕所述端口布置。
3.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述多个偶极子天线水平地布置在接地层上方。
4.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述无源元件是金属条。
5.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，在所述全向状态下，整个方位平面中的增益至少为4dBi。
6.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述全向状态与所述定向状态之间的增益差至少为3dB。
7.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，还包括用于连接和断开每个无源元件和相邻偶极子天线的电子电路，以及用于确定哪个无源元件连接到相邻偶极子天线以在定向状态下引导所述天线设备的天线波束朝向一个或多个移动设备的位置的控制算法。
8.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述一个或多个开关包括二极管、晶体管和电子开关中的至少一个。
9.一种用于将天线设备从全向状态切换到定向状态的方法，其特征在于，所述天线设备包括：至少三个偶极子天线和一个端口，其中，所述至少三个偶极子天线中的每个偶极子天线连接到所述端口，所述至少三个偶极子天线围绕所述端口布置，并且所述至少三个偶极子天线中的每个偶极子天线包括两个端部；多个无源元件，其中，所述多个无源元件围绕所述端口布置，使得所述多个无源元件中的每个无源元件位于所述多个偶极子天线中两个不同的偶极子天线之间；一个或多个开关，用于在全向状态与定向状态之间切换，在所述全向状态下，所述至少三个偶极子天线的所述端部未连接到所述多个无源元件，在所述定向状态下，所述多个无源元件中的一个无源元件的两个端部连接到两个不同的偶极子天线，从而将所述两个不同的偶极子天线转换为具有两个馈电点的单个长辐射元件；
所述方法包括：
操作所述一个或多个开关，以将所述多个无源元件中的至少一个无源元件的的两个端部连接到两个不同的偶极子天线，并因此将所述天线设备从所述全向状态切换到所述定向状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括在至少一个方向上增加所述全向状态与所述定向状态之间至少3dB的增益。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括确定引导所述天线设备的天线波束朝向一个或多个移动设备的位置的方向。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括确定何时将所述天线设备恢复到所述全向状态，并操作所述一个或多个开关，并因此将所述天线设备从所述定向状态切换回所述全向状态。
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