CN210120557U - 立体结构的多通道无线信号收发设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种立体结构的多通道无线信号收发设备，包括立体天线装置、至少两个天线开关装置、至少两个信号处理装置和控制器，立体天线装置包括至少两个天线单元，多个天线开关装置分别连接对应的天线单元的连接线，各信号处理装置均连接对应的天线开关装置，信号处理装置连接控制器，可以形成多输入多输出的信号收发通道，提高信号传输效率。采用立体天线装置进行WIFI信号的收发，形成立体空间结构的天线阵列，多个天线单元相互配合工作，增加了天线单元对垂直面上的波束的增益，使该立体结构的多通道无线信号收发设备接收和发送的WIFI信号传输距离更远，覆盖范围更大，使用可靠高。

Description

立体结构的多通道无线信号收发设备

技术领域

本实用新型涉及无线技术领域，特别是涉及一种立体结构的多通道无线信号收发设备。

背景技术

WIFI是创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，改善了基于该标准的无线网络产品之间的互通性。WIFI属于短距离的无线技术，具有传输速度快、发射功率小且无需布线等优点，可以满足个人和社会信息化的需求，在信号较弱的情况下，带宽可自动调整，有效保证网络的稳定性和可靠性。

传统的WIFI信号传输装置传输的WIFI信号的覆盖范围有限，用户在超出WIFI的覆盖范围之外的区域无法接收到WIFI信号，影响用户的正常使用，可靠性低。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的WIFI信号传输装置可靠性低的问题，提供一种立体结构的多通道无线信号收发设备。

一种立体结构的多通道无线信号收发设备，包括立体天线装置、天线开关装置、信号处理装置和控制器，所述立体天线装置包括至少两个天线单元，所述天线开关装置连接所述信号处理装置，所述信号处理装置连接所述控制器；

所述天线单元包括两层或两层以上的基板以及设置于各层基板的天线阵列；各层所述基板互相层叠设置；且各层所述基板的天线阵列由阵列设置的天线振子组成；各层所述基板中每两个或两个以上的天线振子划分得到组阵，每层基板中的组阵相互连接，各层基板的组阵之间通过连接线相互连接；所述天线开关装置的数量为两个以上，且各所述天线开关装置分别连接对应的天线单元中的所述连接线，所述信号处理装置的数量与所述天线开关装置的数量相等，且各所述信号处理装置均连接对应的天线开关装置。

上述立体结构的多通道无线信号收发设备，接收WIFI信号时，立体天线装置可以感应到空间中的电磁信号然后发送至天线开关装置，天线开关装置将信号传输至信号处理装置进行处理，处理后的信号发送至控制器进行解调后得到WIFI信号，实现WIFI信号的接收，发送WIFI信号时，控制器输出小功率的微弱的射频信号发送至信号处理装置进行处理，处理后的信号再通过天线开关装置经由立体天线装置辐射至空间中，实现WIFI信号的发送。该装置采用立体天线装置进行WIFI信号的收发，立体天线装置包括至少两个天线单元，可形成垂直面波束，进而提高了天线整体增益，使该立体结构的多通道无线信号收发设备接收和发送的WIFI信号传输距离更远，覆盖范围更大，且立体天线装置包括两个以上层叠设置的天线单元，天线开关装置的数量为两个以上，且分别连接对应的天线单元中的连接线，信号处理装置的数量与天线开关装置的数量相等，且分别连接对应的天线开关装置，可以形成多输入多输出的信号收发通道，可以提高信号传输的效率，天线单元通过将各层基板上的天线振子进行划分得到组阵，在划分组阵完成之后，再将各层基板的组阵通过连接线互相连接，形成立体空间结构的天线阵列，多个天线单元相互配合工作，增加了天线单元对垂直面上的波束的增益，提高了立体天线装置的通信性能，使该立体结构的多通道无线信号收发设备接收和发送的WIFI信号传输距离更远，覆盖范围更大，可靠性高。

附图说明

图1为一个实施例中立体结构的多通道无线信号收发设备的结构图；

图2为另一个实施例中立体结构的多通道无线信号收发设备的结构图；

图3为一个实施例中立体天线装置的结构图；

图4为一个实施例中天线单元中的基板以及基板上的天线振子的结构图；

图5为又一个实施例中立体结构的多通道无线信号收发设备的结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在一个实施例中，请参见图1，提供一种立体结构的多通道无线信号收发设备，包括立体天线装置100、天线开关装置200、信号处理装置300和控制器400，立体天线装置100包括至少两个天线单元，天线开关装置200连接信号处理装置300，信号处理装置300连接控制器400。天线单元包括两层或两层以上的基板112以及设置于各层基板的天线阵列，各层基板112互相层叠设置，且各层基板112的天线阵列由阵列设置的天线振子114组成，各层基板112中每两个或两个以上的天线振子划分得到组阵，每层基板中的组阵相互连接，各层基板的组阵之间通过连接线相互连接，天线开关装置200的数量为两个以上，且各天线开关装置200分别连接对应的天线单元中的连接线，信号处理装置300的数量与天线开关装置200的数量相等，且各信号处理装置300均连接对应的天线开关装置200。

天线开关装置200的数量为两个以上，且各天线开关装置200分别连接对应的天线单元，信号处理装置300的数量与天线开关装置200的数量相等，且各信号处理装置300均连接对应的天线开关装置200。接收WIFI信号时，立体天线装置100可以感应到空间中的电磁信号然后发送至天线开关装置200，天线开关装置200将信号传输至信号处理装置300进行处理，处理后的信号发送至控制器400进行解调后得到WIFI信号，实现WIFI信号的多通道接收，发送WIFI信号时，控制器400输出小功率的微弱的射频信号发送至信号处理装置300进行处理，处理后的信号再通过天线开关装置200经由立体天线装置100辐射至空间中，实现WIFI信号的多通道发送。

具体地，控制器400的类型并不是唯一的，例如可以为CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)、FPGA(Field－Programmable GateArray，现场可编程门阵列)或单片机。CPLD作为控制器400具有编程灵活、集成度高、适用范围宽和设计制造成本低等优点。FPGA作为控制器400设计成本低，工作稳定性高。单片机作为具有体积小、结构简单、可靠性高的优点。可以理解，在其他实施例中，控制器400也可以采用其他器件，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

信号处理装置300主要用于对流经的信号进行处理，根据实际需求的不同，信号处理装置300进行信号处理的方式也不一样，相应地，信号处理装置300的结构并不是唯一的，例如当信号处理装置300包括滤波器时，可对信号进行滤波处理，可以理解，在其他实施例中，信号处理装置300也可以是其他的结构，根据用户需求决定，灵活性大。信号处理装置300的数量与天线开关装置200的数量相等，且各信号处理装置300均连接对应的天线开关装置200。在每一个信号通道中，一个信号处理装置300对应连接一个天线开关装置200，可保持各个通道之间信号传输的独立性，避免信号的相互干扰。

天线开关装置200可以对立体天线装置100与信号处理装置300之间的通断进行控制，当需要立体结构的多通道无线信号收发设备工作时，天线开关装置200导通，立体天线装置100与信号处理装置300之间可以正常传输信号，当天线开关装置200断开时，立体结构的多通道无线信号收发设备处于待机状态。天线开关装置200的数量为两个以上，且各天线开关装置200分别连接对应的天线单元，进一步地，各天线开关装置200分别连接的天线单元的数量可完全相同，可部分相同，也可完全不同，每一个天线开关装置200与对应的天线单元连接构成一个信号收发通道，形成多输入多输出的射频前端结构。在一个实施例中，各天线开关装置200分别连接的天线单元的数量互不相同，例如，各天线开关装置200连接的天线单元的数量可以是依次递增，可根据实际需求选择对应的信号收发通道工作，提高了立体结构的多通道无线信号收发设备的操作便利性。

天线单元中的基板112的数量并不唯一，可以是由两层基板112构成天线单元，也可以是三层或者三层以上的基板112构成天线单元。每一层基板112上都具有一个天线阵列，其中的天线阵列包括有若干个天线振子114，天线振子114的数量可以是两个或两个以上，例如可以是由8*8个天线振子114按照矩形排列形成8行8列，从而构成一个天线阵列。天线阵列中的天线振子114可以如图3中所示的以两个为一组进行划分组阵，也可以是三个为一组进行划分组阵，相应的还可以是三个或三个以上进行划分组阵，其中组阵指代的是两个或两个以上的天线振子114之间互相连接，形成一个组阵。天线阵列中的若干天线振子114可以划分为多个组阵。

进一步的，可以建立一个空间直角坐标系，将每一层基板112视为一个平面，每一层基板112与空间直角坐标系中的XOY平面平行，各层基板112上的天线振子114分别沿X轴以及Y轴方向进行铺设，然后各层基板112沿Z轴方向进行垂直布局设置，使得天线单元形成为立体空间结构。需要说明的是，天线单元中每层基板上的两个或两个以上的天线振子114划分得到组阵之后，每一个组阵都可以有一根对应的引线从基板上引出，使得每一层基板上都引出有多根引线，然后基板与基板上引出的多根引线对应连接，最后通过相应的连接件或者是接头等汇总，与后端的天线开关装置200连接，通过后端的天线开关装置200来对接收的信号进行处理。进一步的，在其它实施例中，也可以是每一层基板112上的两个或两个以上的天线振子114划分得到组阵之后，基板上的组阵先互相连接，然后通过一根总线从基板上引出，即每一层基板上只引出了一根总线，然后基板与基板之间的总线互相连接，最后通过相应的连接件或者是接头等汇总，与后端的天线开关装置200连接，通过后端的天线开关装置200来对接收的信号进行处理。

在一个实施例中，请参见图2，信号处理装置300包括第一滤波器310、第一放大器320和第二放大器330，第一滤波器310连接天线开关装置200和第一放大器320，第一放大器320连接控制器400，控制器400连接第二放大器330，第二放大器330连接天线开关装置200。滤波器可以对信号进行滤波处理，放大器可以将信号进行放大，滤波器和放大器的使用可以提高WIFI信号的质量，也可以提高WIFI信号传输的可靠性。

具体地，第一放大器320和第二放大器330的类型并不是唯一的，例如，在本实施例中，第一放大器320为功率放大器，第二放大器330为低噪声放大器，发送WIFI信号时，控制器400输出小功率的微弱的射频信号发送至功率放大器进行功率放大，使输出的信号有足够大的功率满足需求，放大后的信号发送至第一滤波器310进行滤波处理，滤波后的信号再通过天线开关装置200经由立体天线装置100辐射至空间中，实现WIFI信号的发送。接收WIFI信号时，立体天线装置100可以感应到空间中的电磁信号然后发送至天线开关装置200，天线开关装置200将信号传输至低噪声放大器进行放大，放大后的信号发送至控制器400进行解调后得到WIFI信号，实现WIFI信号的接收。可以理解，在其他实施例中，第一放大器320和第二放大器330也可以为其他类型的放大器，只要本领域技术人员认为可以实现即可。此外，第一滤波器310的类型也不是唯一的，例如可采用带通滤波器，带通滤波器可以滤除杂乱信号，使特定频段的有用信号可以顺利在通道中传输。带通滤波器的实现方法有多种，例如可以为已经设计好的专用带通滤波器，性能稳定，或者也可以为印制带通滤波器，其结构简单，制造成本低。可以理解，在其他实施例中，第一滤波器310也可以为其他类型的滤波器，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，请参见图2，信号处理装置300还包括第二滤波器340，第二滤波器340连接第一放大器320，控制器400连接第二滤波器340。在第一放大器320和控制器400之间设置第二滤波器340可以过滤掉由第一放大器320进行放大后的信号中包含的杂波，提高信号质量。

具体地，第二滤波器340的类型并不是唯一的，例如可以为低通滤波器，低通滤波器与第一放大器320连接，可以滤除由于功放引起的高次谐波，如二次谐波，三次谐波甚至更高次数的谐波，减小高次谐波对信号传输造成影响。可以理解，在其他实施例中，第二滤波器340也可以为其他类型的滤波器，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在此实施例中，以各天线开关装置200连接的天线单元的数量依次递增为例，天线开关装置200的数量为N个，第一个天线开关装置200连接两个天线单元，第二个天线开关装置200连接三个天线单元，依次类推，第N个天线开关装置200则连接N+1个天线单元。以第一个天线开关装置200为例，两个天线单元与天线开关装置200连接，天线开关装置200依次连接第一滤波器310、第一放大器320、第二滤波器340和控制器400，天线开关装置还通过第二放大器330连接控制器400，分别形成信号发射通道和信号接收通道。通过将每个天线开关装置200均独立配置一套信号处理装置300，形成多路信号发射通道和信号接收通道，可实现多波束配置，进而可拓展立体结构的多通道无线信号收发设备的应用范围。由于每个天线开关装置200连接的天线单元的数量不同，使得每一个天线开关装置200的增益效果也并不相同，具体为天线单元的数量越多，增益越高。实际使用时，可根据信号强度和覆盖范围等需求调整对应数量的天线单元投入使用，有利于合理利用资源，提高立体结构的多通道无线信号收发设备的使用可靠性。

在一个实施例中，天线开关装置200包括信号接收电路、信号发送电路和切换开关，切换开关连接天线单元中的连接线，并通过信号接收电路连接第二放大器330，以及通过信号发送电路连接第一滤波器310。天线开关装置200可以切换各天线单元中天线阵列的工作状态，便于对天线阵列进行控制。

具体地，天线开关装置200中的切换开关连接天线单元中的连接线，当切换开关与信号发射电路导通时，天线开关装置200控制天线阵列处于发射状态，当切换开关与信号接收电路导通时，天线开关装置200控制天线阵列处于接收状态，当切换开关处于开路状态时，天线阵列不工作，该装置处于停机状态。切换开关连接控制器400，根据控制器400发送的控制信号进行天线阵列的发射、接收或停机的工作状态的切换，或者，切换开关也可以采用手动控制，由用户根据自身需求手动切换天线阵列的发射、接收或停机的工作状态。

在一个实施例中，请参见图3，天线振子114为双极化振子，各层基板112中每两个或两个以上双极化振子进行划分得到组阵。双极化振子包括有正45度和负45度两副极化方向相互正交的天线，即以12点时钟方向为基准，顺时钟旋转45度处为正45度的天线，逆时钟旋转45度为负45度的天线。各层基板112上可以是如图4所示的两个双极化振子连接划分得到一个组阵，也可以是两个以上的双极化振子互相连接划分得到一个组阵，相应的，各层基板112的天线阵列中可以划分得到多个组阵，多个组阵之间互相连接之后形成天线阵列，提高整个立体天线装置100的增益。

在一个实施例中，请参见图4，基板112上的双极化振子包括正45度振子以及负45度振子，正45度振子与负45度振子正交设置，基板112中各组阵的双极化振子的正45度振子相互连接，双极化振子的负45度振子相互连接。

天线阵列的各个组阵中包括至少两个正45度振子以及两个负45度振子，各组阵中，通过将正45度振子与正45度振子相连，将负45度振子与负45度振子相连(以图4中为例的是两个正45度振子与正45度振子连接，两个负45度振子与负45度振子相连接)，使得天线装置在接收电磁波信号以及发射电磁波信号两个工作模式都能够获得增益，提高整个天线装置的通信性能。

在一个实施例中，请参见图3，各层基板112的组阵中正45度振子相互连接后通过正连接线连接；各层基板112的组阵中负45度振子相互连接后通过负连接线连接。

其中，正连接线与负连接线可以是同种类型的连接线，两者的不同之处在于正连接线连接的是组阵中的正45度振子，负连接线连接的是组阵中负45度振子。各层基板112中，将不同组阵中的正45度振子相互连接，以及负45度振子相互连接。可以理解，同一个基板112中不同组阵的正45度振子可通过一根公共线连接，不同组阵的负45度振子同样可通过一根公共线连接。将各基板112中不同组阵之间的振子连接好之后，再通过正连接线连接各基板112的组阵中正45度振子，通过负连接线连接各层基板112的组阵中负45度振子，提高了立体天线装置100的收发增益。可以理解，正连接线和负连接线同样也可以是只采用一根公共线。

在一个实施例中，请参见图4，各层基板112的天线阵列中每列天线振子114划分得到组阵。具体的，天线阵列包括有若干列和若干行的振子，在划分组阵时，是通过对每一列的振子进行划分，得到组阵的，例如，当天线阵列中具有8列振子，每一列由8个双极化振子组成时，可以按照两个双极化振子作为一组，将一列划分为4个组阵，相应的，在其它实施例中，也可以直接将同一列的8个双极化振子划分为一个组阵。

在一个实施例中，天线振子之间的间隔距离为天线中心频率的波长的一半。天线振子之间通过设置相应的间隔距离，能够避免各个天线振子在工作过程中互相产生干扰，保证天线装置能够正常工作。

在一个实施例中，通过将各层基板之间预设一定的间隔距离，可确保相邻基板之间信号不会相互影响，进而在配置天线装置时能够提升天线装置的通信性能。

为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细的解释说明。在一个实施例中，请参见图5，

代表一个天线单元，第N个天线开关装置200连接对应的N+1个天线单元中的天线阵列，天线开关装置200为天线开关，天线开关连接天线单元，信号处理装置300包括了滤波器、功率放大器和低噪声放大器，控制器400为芯片，滤波器连接天线开关和功率放大器，功率放大器连接芯片，芯片连接低噪声放大器，低噪声放大器连接天线开关，该装置通过多层天线振子立体组阵，可以提高天线整体增益，利用立体阵列天线高增益的特点，解决目前WIFI传输距离近的问题，由该装置可以实现WIFI信号的大范围覆盖。

以天线单元包括N层基板112为例，每层基板112上的天线阵列具有Y列，每一列具有Y个双极化天线振子114，将每一列中的X个双极化天线振子114划分为一个组阵，每个组阵中X个双极化天线振子114中的正45度振子互相连接，相邻组阵的正45度振子之间通过一根公共线连接，然后引出正连接线。每个组阵中X个双极化天线振子114中的负45度振子互相连接，相邻组阵的负45度振子之间通过一根公共线连接，然后引出负连接线，形成1拖X形式。最后每一层基板112引出的正连接线互相连接，每一层基板112引出的负连接线互相连接，最终形成1拖X*N的阵列形式，得到立体式布局的天线单元，相应的，在其它的实施方式中，基板112的数量可以根据实际情况进行选择，由多少个数量的双极化天线振子114划分为一个组阵也可以根据实际情况进行选择，天线阵列中组成方式也可以相应调节，例如，可取X＝2，即为1拖2形式。当天线阵列每一列中的两个双极化天线振子114划分为一个组阵时，通过构造N层立体天线组阵，使得原来由2个天线振子114组成的天线阵列增加为2*N个天线振子114组成的阵列，天线增益成倍提高，理论上，若N＝2，X＝2时(即1拖2*2时)天线增益可以提高3dB，当N＝2，X＝3时(即1拖3*2时)天线增益可以提高5dB，当N＝2，X＝5时(即1拖5*2时)天线增益可以提高7dB，当N＝2，X＝10时(即1拖10*2时)天线增益可以提高10dB。

上述立体结构的多通道无线信号收发设备，接收WIFI信号时，立体天线装置可以感应到空间中的电磁信号然后发送至天线开关装置，天线开关装置将信号传输至信号处理装置进行处理，处理后的信号发送至控制器进行解调后得到WIFI信号，实现WIFI信号的接收，发送WIFI信号时，控制器输出小功率的微弱的射频信号发送至信号处理装置进行处理，处理后的信号再通过天线开关装置经由立体天线装置辐射至空间中，实现WIFI信号的发送。该装置采用立体天线装置进行WIFI信号的收发，立体天线装置包括至少两个天线单元，可形成垂直面波束，进而提高了天线整体增益，使该立体结构的多通道无线信号收发设备接收和发送的WIFI信号传输距离更远，覆盖范围更大，且立体天线装置包括两个以上层叠设置的天线单元，天线开关装置的数量为两个以上，且分别连接对应的天线单元中的连接线，信号处理装置的数量与天线开关装置的数量相等，且分别连接对应的天线开关装置，可以形成多输入多输出的信号收发通道，可以提高信号传输的效率，天线单元通过将各层基板上的天线振子进行划分得到组阵，在划分组阵完成之后，再将各层基板的组阵通过连接线互相连接，形成立体空间结构的天线阵列，多个天线单元相互配合工作，增加了天线单元对垂直面上的波束的增益，提高了立体天线装置的通信性能，使该立体结构的多通道无线信号收发设备接收和发送的WIFI信号传输距离更远，覆盖范围更大，可靠性高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种立体结构的多通道无线信号收发设备，其特征在于，包括立体天线装置、天线开关装置、信号处理装置和控制器，所述立体天线装置包括至少两个天线单元，所述天线开关装置连接所述信号处理装置，所述信号处理装置连接所述控制器；

所述天线单元包括两层或两层以上的基板以及设置于各层基板的天线阵列；各层所述基板互相层叠设置；且各层所述基板的天线阵列由阵列设置的天线振子组成；各层所述基板中每两个或两个以上的天线振子划分得到组阵，每层基板中的组阵相互连接，各层基板的组阵之间通过连接线相互连接；所述天线开关装置的数量为两个以上，且各所述天线开关装置分别连接对应的天线单元中的所述连接线，所述信号处理装置的数量与所述天线开关装置的数量相等，且各所述信号处理装置均连接对应的天线开关装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述信号处理装置包括第一滤波器、第一放大器和第二放大器，所述第一滤波器连接所述天线开关装置和所述第一放大器，所述第一放大器连接所述控制器，所述控制器连接所述第二放大器，所述第二放大器连接所述天线开关装置。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述信号处理装置还包括第二滤波器，所述第二滤波器连接所述第一放大器，所述控制器连接所述第二滤波器。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述天线开关装置包括信号接收电路、信号发送电路和切换开关，所述切换开关连接所述天线单元中的连接线，并通过所述信号接收电路连接所述第二放大器，以及通过所述信号发送电路连接所述第一滤波器。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述天线振子为双极化振子，各层所述基板中每两个或两个以上双极化振子进行划分得到组阵。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述双极化振子包括正45度振子以及负45度振子，所述正45度振子与所述负45度振子正交设置；所述基板中各组阵的双极化振子的正45度振子相互连接，双极化振子的负45度振子相互连接。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，各层所述基板的组阵中正45度振子相互连接后通过正连接线连接；各层所述基板的组阵中负45度振子相互连接后通过负连接线连接。

8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，各层所述基板的天线阵列中每列天线振子划分得到组阵。

9.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述天线振子之间的间隔距离为天线中心频率的波长的一半。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述各层基板之间的间隔距离为天线中心频率的波长的一半。

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