CN115224463A - 一种天线及无线设备 - Google Patents

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CN115224463A CN202110420616.4A CN202110420616A CN115224463A CN 115224463 A CN115224463 A CN 115224463A CN 202110420616 A CN202110420616 A CN 202110420616A CN 115224463 A CN115224463 A CN 115224463A
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陶醉
赵捷
肖书光
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Abstract

本申请公开了一种天线及无线设备，用于提升天线的辐射效率。本申请所提供的天线包括反射器和主振子，反射器包括多段金属结构，多段金属结构包括第一金属结构和第二金属结构，第一金属结构上设置有PIN型二极管，第一金属结构和第二金属结构相连接，多段金属结构的长度在第一取值范围内，第一金属结构和主振子的极化方向平行，第二金属结构垂直于第一金属结构。

Description

一种天线及无线设备
技术领域
本申请涉及无线通信领域，尤其涉及一种天线及无线设备。
背景技术
随着现代通信系统的迅速发展，可重构天线作为一种新型的天线成为通信系统中的研究热点。可重构天线主要是通过调整天线物理结构或尺寸实现天线性能的可重构。
可重构天线的反射器的物理结构或尺寸设计可以影响可重构天线的辐射效率，可重构天线的反射器采用矩形结构设计，矩形结构设计的反射器工作频率宽度比较窄，导致天线在高频段的辐射效率下降。
发明内容
本申请提供了一种天线及无线设备，用于提升天线的辐射效率。
本申请第一方面提供一种天线，该天线包括反射器和主振子，反射器包括多段金属结构，多段金属结构包括了第一金属结构和第二金属结构，该第一金属结构上设置有PIN型二极管，第一金属结构和第二金属结构相连接。第一金属结构和主振子的极化方向平行，第二金属结构垂直于第一金属结构。反射器的多段金属结构的长度在第一取值范围内，第一取值范围取决于反射器的工作频段对应的波长，例如第一取值范围为0.225至0.275倍反射器工作频段对应的波长。
本申请提供的天线反射器具备多段金属结构，多段金属结构中的第一金属和第二金属结构呈折弯状结构，该结构下的反射器与主振子的互阻抗改变，提高了反射器的工作频率宽度，进而提升天线辐射效率。
一种可能的实施方式中，第一金属结构上的PIN型二极管的连接方式可以有多种，例如可以是焊接、铆接，具体不做限定。
本申请中第一金属结构上的PIN型二极管的多种连接方式提升方案的可实现性。
一种可能的实施方式中，上述多段金属结构还包括第三金属结构，第三金属结构和第二金属结构相连接，第三金属结构和第一金属结构平行。
本申请中提供的多段金属结构还包括第三金属结构，多段金属结构中的第一金属、第二金属结构和第三金属结构呈折弯状结构，该反射器结构下的天线在史密斯圆图中的阻抗曲线变小，提高了反射器的工作频率宽度，进而提升天线辐射效率。
一种可能的实施方式中，多个反射器均匀置于以主振子为圆心的圆周上，反射器与主振子置于同一个水平面，反射器和主振子的距离在第二取值范围内，第二取值范围取决于反射器的工作频段对应的波长，例如该第二取值范围为工作波长的0.17至0.25倍，该工作波长为反射器的工作频段所对应的波长。
一种可能的实施方式中，PIN型二极管用于控制反射器的状态处于工作状态或关闭状态。
一种可能的实施方式中，PIN型二极管两端并联电感器，电感器包括分布式电感器和隔直电容，隔直电容包括分布式电容或集总电容。其中，分布式电感器的电感值与分布式电感的长度有关。
分布式电感值的长度在第三取值范围内，第三取值范围取决于反射器的工作频段对应的波长，例如第三取值范围为工作波长的0.05至0.5倍，该工作波长为反射器的工作频段所对应的波长。分布式电感可以有多种形状，例如可以是矩形、梯形或圆弧形。
一种可能的实施方式中，PIN型二极管和分布式电感器的谐振电路的谐振频率在主振子的工作频段内。
本申请第二方面提供了一种天线，该天线包括反射器和主振子，反射器上设置有PIN型二极管，PIN型二极管两端并联电感器，电感器包括分布式电感器和隔直电容，隔直电容包括分布式电容或集总电容。
本申请第二方面提供的天线的反射器具有并联的电感器，反射器的PIN管上并联了电感器之后，并联电感可以改变反射的谐振频点，提高了反射器的工作频率宽度，从了提升了天线的辐射效率。
一种可能的实施方式中，包括PIN型二极管和分布式电感器的谐振电路的谐振频率在主振子的工作频段内。
本申请中反射器的谐振电路的谐振频率在主振子的工作频段内，提升了天线的辐射效率。
一种可能的实施方式中，分布式电感器的与分布式电感器的长度有关，分布式电感器的长度在第一取值范围内，例如第三取值范围为工作波长的0.05至0.5倍，该工作波长为反射器的工作频段所对应的波长。
一种可能的实施方式中，分布式电感可以有多种形状，例如可以是矩形、梯形或圆弧形。
一种可能的实施方式中，反射器包括多段金属结构，多段金属结构包括第一金属结构和第二金属结构，第一金属结构上设置有PIN二极管，第一金属结构和第二金属结构相连接，多段金属结构的长度在第二取值范围内，第一金属结构和主振子的极化方向平行，第二金属结构垂直于第一金属结构。
反射器的多段金属结构的长度在第二取值范围内，第二取值范围取决于反射器的工作频段对应的波长，例如第二取值范围为工作波长的0.225至0.275倍，该工作波长为反射器工作频段对应的波长。
一种可能的实施方式中，多段金属结构还包括第三金属结构，第三金属结构和第二金属结构相连接，第三金属结构和第一金属结构平行。
一种可能的实施方式中，多个反射器均匀置于以主振子为圆心的圆周上，反射器与主振子置于同一个水平面。
一种的实施方式中，反射器和主振子的距离在第三取值范围内，第三取值范围取决于反射器的工作频段对应的波长，例如该第三取值范围为工作波长的0.17至0.25倍，该工作波长为反射器的工作频段所对应的波长。
一种可能的实施方式中，PIN型二极管用于控制反射器的状态处于工作状态或关闭状态。
本申请第三方面提供了一种无线设备，该无线设备包括射频电路、开关电路和天线，该天线为上述第一方面及第一方面任意一种可能的实施方式所述的天线，或者上述第二方面及第二方面任意一种可能的实施方式所述的天线，其中，射频电路与天线中的主振子相连，开关电路与天线中的反射器相连。
附图说明
图1为本申请提供的天线的一种应用场景下系统架构示意图；
图2为本申请提供的天线的一种结构示意图；
图3a为本申请提供的天线反射器的一种结构示意图；
图3b为本申请提供的反射器中的电感器的结构示意图；
图4a为本申请提供的反射器的一种等效电路示意图；
图4b为本申请提供的反射器的一种等效电路示意图；
图5为本申请提供的不同反射器结构下的阻抗曲线示意图；
图6为本申请提供的天线的波束方向示意图；
图7为本申请提供的无线设备的一种结构示意图；
图8为本申请提供的无线设备的另一种结构示意图。
具体实施方式
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以下，对本申请中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
终端，是一种向用户提供语音和/或数据连通性的设备，例如，具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。一些终端的举例为：手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)、可穿戴设备。可穿戴设备例如虚拟现实VR眼镜、智能手表、智能手环、计步器等。
可重构天线是指多天线阵列中各阵元之间的关系非固定的，可以根据实际情况调整。它主要是通过调整状态可变器件，实现天线性能的可重构。可重构天线按功能可分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。可重构天线的反射器上串联了正-本征-负(positive intrinsic negative，PIN)型二极管。可重构天线的反射器通过PIN型二极管的开关状态切换实现反射器上感应电流的分布的改变，从而重构天线的波束。
正-本征-负(positive intrinsic negative，PIN)二极管，又称移相开关二极管。和普通的二层结构的PN结二极管相比，PIN型二极管引入了I层，即在普通PN结二极管的由P型半导体材料组成的P层和由N型半导体材料组成的N层中间，插入一层低掺杂的纯度接近于本征半导体材料组成的I层。如果I层材料为低掺杂的P型半导体，则该二极管可称为π型PIN二极管；如果I层材料为低掺杂的N型半导体，则该二极管可称为ν型PIN二极管。在PIN型二极管中，P层和N层通常由高掺杂的半导体材料组成。由于I层的存在，PIN型二极管通常比普通的二极管拥有更宽的耗尽层，更大的接面电阻和更小的接面电容。在射频与微波级别的电路中，PIN型二极管经常被用作微波开关、移相器或衰减器。
驻波比全称为电压驻波比(voltage standing wave ratio，VSWR),电压驻波比是指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比。驻波比等于1时，表示馈线的天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗，驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。
以上对本申请中的部分用语进行了解释，下面介绍本申请提供的天线。
请参阅图1，图1为本申请所提供的天线所应用的系统架构示意图。该系统架构主要包括接入点101和终端102。
接入点101可以包括无线交换机、无线路由器、无线网卡或无线网桥等，具体不做限定。接入点101主要用于和终端102进行数据交互，同时可以负责终端102的网络管理，例如接入点101管理终端102的休眠、漫游等。终端102可以通过接入点101接入网络，终端包括手机、电脑等电子设备。
本申请提供的天线可以应用于上述系统架构中，尤其是应用于室内高密接入的局域网场景，具体的，本申请提供的天线可以应用在上述接入点101或终端102。
以上介绍了本申请的系统架构和应用场景，下面对本申请提供的天线进行介绍：
请参阅图2，图2为本申请提供的一种天线结构示意图，本申请提供的天线包括主振子202和反射器203。主振子202和反射器203垂直置于水平面201，反射器203与主振子202的极化方向平行，主振子202为极化方向为垂直极化。
反射器203置于以主振子202为圆心的圆周上，反射器203与主振子202的距离即该圆周的半径，圆周半径的取值范围反射器工作波长的0.17至0.25倍，该工作波长为反射器的工作频段所对应的波长。
本申请所提供的天线中的反射器的数量不做限定，上述图2仅是反射器数量为4个的示例，反射器的数量还可以是3个，具体不做限定。
上述图2仅作为本申请提供的天线的一个示例，在另一个示例中，主振子也可以水平方向极化，当主振子为水平方向极化时，反射器布置进行过相应调整，此处不再赘述。
下面对上述天线的反射器的一个示例进行介绍：
请参阅图3a，图3a为本申请提供的天线的反射器的一种结构示意图，反射器包括第一金属结构301、第二金属结构302和第三金属结构303。第一金属结构301、第二金属结构302以及第三金属结构303依次连接。
第一金属结构301垂直置于水平面，第一金属结构301与第二金属结构302垂直，第二金属结构302与第三金属结构303垂直，第一金属结构301与主振子的极化方向平行。
第一金属结构301、第二金属结构302和第三金属结构303的总长度为反射器工作波长的0.225至0.275倍，该工作波长为反射器的工作频段所对应的波长。
第一金属结构301上设置有PIN型二级管304，PIN型二极管304两端并联有电感器305，电感器305包括分布式电感和隔直电容。
PIN型二极管304用于控制反射器的状态处于工作状态或关闭状态。PIN型二极管304与第一金属结构的连接工艺不做限定，例如可以是焊接，也可以是铆接。
本申请中PIN型二极管304也可以由其他二极管或开关器件替代，具体不做限定。
请参阅图3b，图3b为电感器305的几种结构示意图，在图3b所示的一个示例中，电感器305包括分布式电感3051和隔直电容3052，分布式电感3051为折弯金属结构，分布式电感3051的电感值与折弯金属结构的总长度有关，折弯金属结构的总长度为反射器工作波长的0.05至0.5倍。
在另一个示例中，分布式电感3051的形状可以是矩形分布式电感3052，也可以是梯形分布式电感3055，还可以是圆弧形分布式电感3056，具体不做限定。其中，多种分布式电感的金属结构总长度为反射器工作波长的0.05至0.5倍。
在另一个示例中，隔直电容3052可以分布式电容3054，还可也是集总电容，具体不做限定。
本申请提供的天线反射器的另一个示例中，反射器仅包括第一金属结构301、第二金属结构302和第三金属结构303，其中第一金属结构301上的PIN型二极管两端没有并联电感。在该示例中，PIN型二极管304在OFF状态下时，反射器的等效电路为RC并联电路，RC并联电路如图4a所示，此时反射器的隔离度随着频率升高降低。
在图3a所示的示例中，PIN型二极管304两端并联电感器305，并联电感器305之后反射器的等效电路为RLC并联电路，RLC并联电路如图4b所示。该电路在谐振频率下隔离度很大，反射器呈截止状态，减小了反射器与主振子的互阻抗，提升了天线的辐射效率。
进一步地，本申请图3a所示的电感器305的电感值可以进行调节，具体的，通过改变电感器305的分布式电感的尺寸调节电感值，从而改变反射器工作的谐振频点。
请参阅图5，图5示出了本申请提供的几种天线反射器对应的史密斯(smith)圆图，史密斯圆图中的阻抗曲线可以反映天线的阻抗匹配效果。
如图5所示，在图5中三个史密斯圆图中，第三个史密斯圆图中的曲线为图3a所示的反射器对应的天线的阻抗曲线。对比三种反射器的阻抗曲线中可以看出，在3a所示的反射器的阻抗曲线相比较与上面两张图的阻抗曲线更靠近天线的阻抗匹配点，该阻抗匹配点即史密斯圆图的中心点。
本申请中图5所示的第三个阻抗曲线对应的天线相较于第一个阻抗曲线对应的天线而言，全向驻波比小于2的频带宽度提升了32％，定向驻波比小于2的频带宽度提升了32％。
图5所示的第二个是史密斯圆图的中的阻抗曲线为本申请另一实施例中，PIN型二极管没有并联电感器的反射器对应的阻抗曲线。从第二个史密斯圆图中的阻抗曲线中可以看出，相较于一段矩形状的反射器结构，三段式的金属结构反射器的阻抗曲线更接近天线的阻抗匹配点。
本申请中图5所示的第二个阻抗曲线对应的天线相较于第一个阻抗曲线对应的天线而言，全向驻波比小于2的频带宽度不变，定向驻波比小于2的频带宽度提升了15％。
请参阅图6，图6为本申请提供的天线在俯仰角为75度的定向方向图，该天线的反射器为图3a所示的反射器。该天线的工作频带宽度可以达到5.15GHz至7.15GHz，由图6可以看出，在天线的最大增益方向的正负45度范围内，天线在不同的工作频率下，天线的平均增益都大于6dBi(dBi为功率增益的单位，dBi的参考基准为全方向性天线)。
以上介绍了本申请提供的天线，下面介绍本申请提供的无线设备。
请参阅图7，图7为本申请提供的一个无线设备示意图，本申请提供的无线设备700包括射频电路701、天线702和开关电路703,其中天线702包括主振子7021和反射器7022。天线702为上述实施例所述的天线，射频电路701与天线702中的主振子7021相连，开关电路703与天线702中的反射器7022相连。
请参阅图8，图8为本申请提供的另一个无线设备示意图，本申请提供的无线设备800包括收发单元801，收发单元801用于和其他网络设备进行数据接收或发送，处理单元802用于控制收发单元801与其他网络设备的数据交互。
无线设备800中的收发单元801相当于无线设备700中的天线702，无线设备800中的处理单元802可以相当于无线设备700中的射频电路701，或者相当于开关电路703。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

Claims (21)

1.一种天线，其特征在于，包括：
反射器和主振子，所述反射器包括多段金属结构，所述多段金属结构包括第一金属结构和第二金属结构；
所述第一金属结构上设置有PIN型二极管；
所述第一金属结构和所述第二金属结构相连接，所述多段金属结构的长度在第一取值范围内；
所述第一金属结构和所述主振子的极化方向平行，所述第二金属结构垂直于所述第一金属结构。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，包括：
所述多段金属结构还包括第三金属结构，所述第三金属结构和所述第二金属结构相连接，所述第三金属结构和所述第一金属结构平行。
3.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述反射器和所述主振子的距离在第二取值范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其特征在于，所述PIN型二极管用于控制所述反射器的状态处于工作状态或关闭状态。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其特征在于，所述PIN型二极管两端并联电感器，所述电感器包括分布式电感器和隔直电容，所述隔直电容包括分布式电容或集总电容。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述PIN型二极管和所述分布式电感器的谐振电路的谐振频率在所述主振子的工作频段内。
7.根据权利要求5或6所述的天线，其特征在于，所述分布式电感器的长度在第三取值范围内。
8.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第二取值范围取决于所述反射器的工作频段对应的波长。
9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述第三取值范围取决于所述反射器的工作频段对应的波长。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的天线，其特征在于，所述第一取值范围取决于所述反射器的工作频段对应的波长。
11.一种天线，其特征在于，包括：
反射器和主振子，所述反射器上设置有PIN型二极管；
所述PIN型二极管两端并联电感器，所述电感器包括分布式电感器和隔直电容，所述隔直电容包括分布式电容或集总电容。
12.根据权利要求11所述的天线，其特征在于，包括所述PIN型二极管和所述分布式电感器的谐振电路的谐振频率在所述主振子的工作频段内。
13.根据权利要求11或12所述的天线，其特征在于，所述分布式电感器的长度在第一取值范围内。
14.根据权利要求13所述的天线，其特征在于，所述第一取值范围取决于所述反射器的工作频段对应的波长。
15.根据权利要求11至14任一项所述的天线，其特征在于，所述反射器包括多段金属结构，所述多段金属结构包括第一金属结构和第二金属结构；
所述第一金属结构上设置有所述PIN二极管；
所述第一金属结构和所述第二金属结构相连接，所述多段金属结构的长度在第二取值范围内；
所述第一金属结构和所述主振子的极化方向平行，所述第二金属结构垂直于所述第一金属结构。
16.根据权利要求15所述的天线，其特征在于，包括：
所述多段金属结构还包括第三金属结构，所述第三金属结构和所述第二金属结构相连接，所述第三金属结构和所述第一金属结构平行。
17.根据权利要求11至16所述的天线，其特征在于，所述反射器和所述主振子的距离在第三取值范围内。
18.根据权利要求17所述的天线，其特征在于，所述第三取值范围取决于所述反射器的工作频段对应的波长。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的天线，其特征在于，所述PIN型二极管用于控制所述反射器的状态处于工作状态或关闭状态。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的天线，其特征在于，所述第二取值范围取决于所述反射器的工作频段对应的波长。
21.一种无线设备，其特征在于，所述无线设备包括射频电路、开关电路和权利要求1至20中任一项所述天线，其中，所述射频电路与所述天线中的所述主振子相连，所述开关电路与所述天线中的所述反射器相连。
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