应用于wifi中的多模式锥形天线系统的制作方法
应用于wifi中的多模式锥形天线系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于天线领域，具体涉及一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元，通过电子控制每个独立的天线，已形成特定的辐射方向图，自适应环境，为收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。
【背景技术】
[0002]天线系统是通信系统组成中必不可少的，在以往的无线通信中，单个天线分别用于发射源和接收端。这种系统叫做SISO(single input single output，即:单发单收)。这样的系统容易发生多径效应从而产生问题。当电磁波遇到丘陵、峡谷、建筑、电线电缆等障碍物时，会发生反射、绕射、散射等问题，因此电磁波会以多个路径到达目的地。延迟的散射信号会导致信号衰落、边缘掉话(悬崖效应)以及间歇性接收(如同尖粧篱栅的形态)。在数字通信系统中，例如互联网，这会导致数据传输速率下降，而且会增加系统误码率。
[0003]使用智能天线可以减少或消除由反射、偏转、折射、散射等多径传输带来的烦恼。智能天线是一种数字无线通信天线系统，它的分集效应在源(发射机)，目的地(接收机)都有明显的优势。分集效应的优势在于多个射频(Rad1 Frequency，简称RF)信号同时发射和/或接收，来提高数据传输速度，降低错误率。智能天线也被称为自适应天线阵、多天线，近来也被叫做MIMO(Multiple-1nput Multiple-Out-put，即:多发多收)，它是一种利用智能信号处理算法来识别空间来波方向(DOA)及特征的阵列天线，并计算出天线波束的形成量，利用控制单元控制天线的波束可以追踪和定位一个移动的目标。
[0004]当前使用的大多数智能天线都是由天线阵组成，通过改变每个天线单元的幅度、相位来组成不同的辐射方向图，但是这种天线阵一般仅在某一片特定扇区内自适应调整，无法满足360度全向覆盖要求。如果没有很精确的布局，很难满足覆盖要求。因此，急需一种可以在水平面内灵活控制天线方向图的天线系统。
【发明内容】
[0005]这段描述的目的在于总结本发明的一些架构，然后介绍一些优选的具体实施例，在这段描述与在摘要中的描述会有一些简化和省略，为的是避免混淆本段的描述与摘要的描述。这样的简化并不是在限制本发明的范围。
[0006]本发明的目的在于提供一种天线系统，其能够提供垂直极化的射频链路。包括一组由四个独立的天线组成一个锥形形状的天线单元，基板以及外围控制电路。通过电子控制每个独立的天线，已形成特定的辐射方向图，自适应环境，为收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。
[0007]根据本发明一个优选的实施例，锥形天线单元由四个独立金属锥面组成。通过设计、仿真计算得出金属锥面特定的底面半径、圆锥角、高度等参数。然后将金属锥面沿斜边四等分，得到四个完全一样的天线。
[0008]根据本发明一个优选的实施例，每个锥面天线采用锥角处馈电，馈电处通过一个电子开关(射频二极管)与外围控制电路连接。每一个电子开关也都是独立的，可以电子控制对应天线的状态，接通或者断开。
[0009]根据不同的用途，本发明可以应用于一种解决方案、一种装置或一个系统的一部分。根据一个实施例，本发明是一种天线系统，其包括:一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元，每个独立的天线通过电子开关控制导通或者断开，从而改变天线系统的辐射方向图，给通讯设备提供更好的无线链路。
[0010]本发明的特点与优点在于，提供了一种体积小、工作频带宽、辐射方向图可以改变并且成本更低更容易制造的天线。本发明还有一些特点和优点将在下面的附图以及实例的实施方式中阐述。
【附图说明】
[0011]以下附图和描述有助于更深刻的理解本发明的特征、优点。
[0012]图1所示为一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元的立体视图；
[0013]图2所示为一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元的俯视图；
[0014]图3所示为锥形天线单元馈电及控制原理结构视图；
[0015]图4所示为一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元的侧视图；
[0016]图5A所示为所有独立天线均导通时锥形天线单元的驻波图；
[0017]图5B所示为对应于图5A天线模式的水平面辐射方向图；
[0018]图6A所示为任意一个独立天线导通，其余三个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图；
[0019]图6B所示为对应于图6A天线模式的水平面辐射方向图；
[0020]图7A所示为两个相邻的独立天线导通，其余两个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图；
[0021]图7B所示为对应于图7A天线模式的水平面辐射方向图；
[0022]图8A所示为任意一个独立天线断开，其余三个独立天线导通时锥形天线单元的驻波图；
[0023]图8B所示为对应于图8A天线模式的水平面辐射方向图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的详细描述包含了过程、步骤、逻辑运算、处理以及其他使用符号直接或间接的表明通信装置与馈电网络的耦合等类似的操作。这些过程的描述通常被熟悉本领域的技术人员用来与其他同领域的技术人员作有效的沟通。
[0025]以下描述中用到的“一个具体实施例”或“具体实施例”是指结合该具体实施例中所描述的特定特征、结构或特性，并至少包含在本发明内的一个具体实施例。出现的“在一个具体实施例中”并不一定是指在同一个具体实施例，这些具体实施例也不存在相互排斥或相互替换。
[0026]运营商一直在寻找一种能够提供在水平方位最佳的无线功率覆盖且体积小的天线系统。本发明的一个实施例提供了一种天线系统，包括一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元，基板以及外围控制电路。通过电子控制每个独立的天线，已形成特定的辐射方向图，自适应环境，为收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。此外，本发明的一个实施例介绍的天线系统尺寸小，且容易制造，提供了一种低成本的解决方案以满足市场需求。
[0027]参照【附图说明】， 其中相同的数字标号在不同附图中指代相同的部分。在一个具体实施例中，图1所示为锥形天线系统100的立体图，由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元101，一个由印刷电路板(PCB)制成的基板102以及外围控制电路组成，其中天线单元由铜片制成。
[0028]在此具体实施例中，图2为锥形天线系统100的俯视图，锥形天线单元101由四个独立的天线201-204组成，每个独立的天线在基板102上的投影均为四分之一圆形，它们的顶角205均为90度。此外，每两个相邻的独立天线间的间隔206都是一致的。
[0029]在此具体实施例中，图3所示为锥形天线系统100的馈电原理视图，可以看到301是一块介质底座，在其上方，四个独立的锥形天线201-204分别对应焊接在介质底座301上层的铜箔311-314上，303-306是四个独立的开关，本具体实施例中所述四个独立的开关303-306为射频开关二极管，每个开关的一侧与其对应的独立天线相连，另一侧通过分别对应的金属过孔307-310与基板102的上层铜箔302相连，由基板底层铜箔向基板上层铜箔激励，完成馈电。
[0030]图4所示为锥形天线系统100的侧视图，可以更清晰的看到，锥形天线单元101焊接在介质底座301上层的铜箔上，四个独立开关303-306焊接在介质底座301上，一侧连接天线，另一侧通过金属化过孔连接到基板的上层铜箔302。可以从视图中大致了解本发明实施例中锥形天线单元的斜度、侧边等关键结构。
[0031]在电子学中，二极管是一个双端电子元件，具有非对称的电导。电流正向流过时，它具有很低(理想情况为零)的电阻值，电流逆向方向电阻值很高(理想情况为无穷大)。二极管最常见的功能是允许电流正向通过(即，二极管前向方向)，同时阻挡反向电流通过(即，二极管反向方向)。当前，最常见的一种半导体二极管是一种由半导体材料结晶片制成的p-n结，连接到两个电端子。在本实施例中，射频开关二极管303-306 —端连接天线，另一端通过金属化过孔连接馈源，开关导通时，对应的天线导通，开关断开时，对应的天线断开。由于本实施例中四个独立的天线201-204使用了四个射频开关二极管303-306，理论上，有24= 16种不同的辐射特性可供选择。
[0032]需要说明的是，在该实施例中，所述基板上相连接的天线单元为一组。在其他实施例中，所述基板上相连接的天线单元为多组，每个独立的天线有独立的开关，通过控制开关的导通与断开来形成特定的辐射方向图，为通讯设备提供更好的无线链路。
[0033]为了天线正常工作，必须确保天线的辐射方向图和输入阻抗都在可接受的范围。图5A、6A、7A和8A示出图1天线系统100在4个不同的操作模式下的电压驻波比性能，电压驻波比是反射系数的函数，它描述了天线端的反射功率。图5A是全向模式，四个二极管都导通，每个天线单元都独立地工作。图5B示出了全向模式的对应的水平面辐射方向图。
[0034]图6A所示为任意一个独立天线导通，其余三个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图，图6B示出了图6A模式对应的水平面辐射方向图。
[0035]图7A所示为两个相邻的独立天线导通，其余两个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图，图7B示出了图7A模式对应的水平面辐射方向图。
[0036]图8A所示为任意一个独立天线断开，其余三个独立天线导通时锥形天线单元的驻波图，图8B示出了图8A模式对应的水平面辐射方向图。
[0037]虽然结合具体的实施例对本发明进行详细的描述，然而上述描述只是本发明的示例而已，而不能被解释为对本发明的限制。本领域技术人员可以理解的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的范围定义为其保护范围而不是以上实施例的说明。
【主权项】
1.一种天线系统，其特征在于:其包括: 一基板； 与所述基板相连接的天线单元，所述天线单元由四个独立的天线组成。2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述天线单元由金属铜制成。3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述基板为印制电路板(PCB)。4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述四个独立的天线组成的天线单元呈锥形形状，每两个相邻的天线之间具有间隙。5.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于:每两个相邻的天线之间的间隙相同。6.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于:所述每一个天线呈锥面状，所述锥面状天线的顶角为90度。7.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述每个独立的锥面状天线的顶角与基板通过凸台连接。8.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述四个独立天线均有独立的开关。9.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于:所述每个独立的开关为射频开关二极管。10.如权利要求9所述的天线系统，其特征在于:所述射频开关二极管设置在所述基板上，所述开关的一侧连接控制电路，另一侧通过金属化过孔与所述基板的凸台相连，从而连接到对应的锥面状天线。11.如权利要求10所述的天线系统，其特征在于:通过控制电路改变每个独立开关的状态，理论上可以组成24= 16种不同的辐射方向图。12.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述天线单元为一组或多组。
【专利摘要】本发明提供一种应用于WIFI中的多模式锥形天线系统，包括基板、与所述基板相连接的天线单元，所述天线单元由四个独立的天线组成，每个独立的天线有独立的开关，通过控制开关的导通与断开来形成特定的辐射方向图，为通讯设备提供更好的无线链路。与现有技术相比，本发明的天线系统体积小、工作频带宽、辐射方向图可以改变并且成本更低更容易制造的天线。
【IPC分类】H01Q21/00, H01Q21/28, H01Q3/24
【公开号】CN104901024
【申请号】CN201510134836
【发明人】郑博信, 李鑫, 汪义兵, 沈骏, 赵辉
【申请人】康凯科技（杭州）有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月25日
【技术领域】
[0001]本发明属于天线领域，具体涉及一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元，通过电子控制每个独立的天线，已形成特定的辐射方向图，自适应环境，为收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。
【背景技术】
[0002]天线系统是通信系统组成中必不可少的，在以往的无线通信中，单个天线分别用于发射源和接收端。这种系统叫做SISO(single input single output，即:单发单收)。这样的系统容易发生多径效应从而产生问题。当电磁波遇到丘陵、峡谷、建筑、电线电缆等障碍物时，会发生反射、绕射、散射等问题，因此电磁波会以多个路径到达目的地。延迟的散射信号会导致信号衰落、边缘掉话(悬崖效应)以及间歇性接收(如同尖粧篱栅的形态)。在数字通信系统中，例如互联网，这会导致数据传输速率下降，而且会增加系统误码率。
[0003]使用智能天线可以减少或消除由反射、偏转、折射、散射等多径传输带来的烦恼。智能天线是一种数字无线通信天线系统，它的分集效应在源(发射机)，目的地(接收机)都有明显的优势。分集效应的优势在于多个射频(Rad1 Frequency，简称RF)信号同时发射和/或接收，来提高数据传输速度，降低错误率。智能天线也被称为自适应天线阵、多天线，近来也被叫做MIMO(Multiple-1nput Multiple-Out-put，即:多发多收)，它是一种利用智能信号处理算法来识别空间来波方向(DOA)及特征的阵列天线，并计算出天线波束的形成量，利用控制单元控制天线的波束可以追踪和定位一个移动的目标。
[0004]当前使用的大多数智能天线都是由天线阵组成，通过改变每个天线单元的幅度、相位来组成不同的辐射方向图，但是这种天线阵一般仅在某一片特定扇区内自适应调整，无法满足360度全向覆盖要求。如果没有很精确的布局，很难满足覆盖要求。因此，急需一种可以在水平面内灵活控制天线方向图的天线系统。
【发明内容】
[0005]这段描述的目的在于总结本发明的一些架构，然后介绍一些优选的具体实施例，在这段描述与在摘要中的描述会有一些简化和省略，为的是避免混淆本段的描述与摘要的描述。这样的简化并不是在限制本发明的范围。
[0006]本发明的目的在于提供一种天线系统，其能够提供垂直极化的射频链路。包括一组由四个独立的天线组成一个锥形形状的天线单元，基板以及外围控制电路。通过电子控制每个独立的天线，已形成特定的辐射方向图，自适应环境，为收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。
[0007]根据本发明一个优选的实施例，锥形天线单元由四个独立金属锥面组成。通过设计、仿真计算得出金属锥面特定的底面半径、圆锥角、高度等参数。然后将金属锥面沿斜边四等分，得到四个完全一样的天线。
[0008]根据本发明一个优选的实施例，每个锥面天线采用锥角处馈电，馈电处通过一个电子开关(射频二极管)与外围控制电路连接。每一个电子开关也都是独立的，可以电子控制对应天线的状态，接通或者断开。
[0009]根据不同的用途，本发明可以应用于一种解决方案、一种装置或一个系统的一部分。根据一个实施例，本发明是一种天线系统，其包括:一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元，每个独立的天线通过电子开关控制导通或者断开，从而改变天线系统的辐射方向图，给通讯设备提供更好的无线链路。
[0010]本发明的特点与优点在于，提供了一种体积小、工作频带宽、辐射方向图可以改变并且成本更低更容易制造的天线。本发明还有一些特点和优点将在下面的附图以及实例的实施方式中阐述。
【附图说明】
[0011]以下附图和描述有助于更深刻的理解本发明的特征、优点。
[0012]图1所示为一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元的立体视图；
[0013]图2所示为一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元的俯视图；
[0014]图3所示为锥形天线单元馈电及控制原理结构视图；
[0015]图4所示为一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元的侧视图；
[0016]图5A所示为所有独立天线均导通时锥形天线单元的驻波图；
[0017]图5B所示为对应于图5A天线模式的水平面辐射方向图；
[0018]图6A所示为任意一个独立天线导通，其余三个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图；
[0019]图6B所示为对应于图6A天线模式的水平面辐射方向图；
[0020]图7A所示为两个相邻的独立天线导通，其余两个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图；
[0021]图7B所示为对应于图7A天线模式的水平面辐射方向图；
[0022]图8A所示为任意一个独立天线断开，其余三个独立天线导通时锥形天线单元的驻波图；
[0023]图8B所示为对应于图8A天线模式的水平面辐射方向图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的详细描述包含了过程、步骤、逻辑运算、处理以及其他使用符号直接或间接的表明通信装置与馈电网络的耦合等类似的操作。这些过程的描述通常被熟悉本领域的技术人员用来与其他同领域的技术人员作有效的沟通。
[0025]以下描述中用到的“一个具体实施例”或“具体实施例”是指结合该具体实施例中所描述的特定特征、结构或特性，并至少包含在本发明内的一个具体实施例。出现的“在一个具体实施例中”并不一定是指在同一个具体实施例，这些具体实施例也不存在相互排斥或相互替换。
[0026]运营商一直在寻找一种能够提供在水平方位最佳的无线功率覆盖且体积小的天线系统。本发明的一个实施例提供了一种天线系统，包括一组由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元，基板以及外围控制电路。通过电子控制每个独立的天线，已形成特定的辐射方向图，自适应环境，为收发设备提供可靠、高效的通信链路链接。此外，本发明的一个实施例介绍的天线系统尺寸小，且容易制造，提供了一种低成本的解决方案以满足市场需求。
[0027]参照【附图说明】， 其中相同的数字标号在不同附图中指代相同的部分。在一个具体实施例中，图1所示为锥形天线系统100的立体图，由四个独立的天线组成一个锥形的天线单元101，一个由印刷电路板(PCB)制成的基板102以及外围控制电路组成，其中天线单元由铜片制成。
[0028]在此具体实施例中，图2为锥形天线系统100的俯视图，锥形天线单元101由四个独立的天线201-204组成，每个独立的天线在基板102上的投影均为四分之一圆形，它们的顶角205均为90度。此外，每两个相邻的独立天线间的间隔206都是一致的。
[0029]在此具体实施例中，图3所示为锥形天线系统100的馈电原理视图，可以看到301是一块介质底座，在其上方，四个独立的锥形天线201-204分别对应焊接在介质底座301上层的铜箔311-314上，303-306是四个独立的开关，本具体实施例中所述四个独立的开关303-306为射频开关二极管，每个开关的一侧与其对应的独立天线相连，另一侧通过分别对应的金属过孔307-310与基板102的上层铜箔302相连，由基板底层铜箔向基板上层铜箔激励，完成馈电。
[0030]图4所示为锥形天线系统100的侧视图，可以更清晰的看到，锥形天线单元101焊接在介质底座301上层的铜箔上，四个独立开关303-306焊接在介质底座301上，一侧连接天线，另一侧通过金属化过孔连接到基板的上层铜箔302。可以从视图中大致了解本发明实施例中锥形天线单元的斜度、侧边等关键结构。
[0031]在电子学中，二极管是一个双端电子元件，具有非对称的电导。电流正向流过时，它具有很低(理想情况为零)的电阻值，电流逆向方向电阻值很高(理想情况为无穷大)。二极管最常见的功能是允许电流正向通过(即，二极管前向方向)，同时阻挡反向电流通过(即，二极管反向方向)。当前，最常见的一种半导体二极管是一种由半导体材料结晶片制成的p-n结，连接到两个电端子。在本实施例中，射频开关二极管303-306 —端连接天线，另一端通过金属化过孔连接馈源，开关导通时，对应的天线导通，开关断开时，对应的天线断开。由于本实施例中四个独立的天线201-204使用了四个射频开关二极管303-306，理论上，有24= 16种不同的辐射特性可供选择。
[0032]需要说明的是，在该实施例中，所述基板上相连接的天线单元为一组。在其他实施例中，所述基板上相连接的天线单元为多组，每个独立的天线有独立的开关，通过控制开关的导通与断开来形成特定的辐射方向图，为通讯设备提供更好的无线链路。
[0033]为了天线正常工作，必须确保天线的辐射方向图和输入阻抗都在可接受的范围。图5A、6A、7A和8A示出图1天线系统100在4个不同的操作模式下的电压驻波比性能，电压驻波比是反射系数的函数，它描述了天线端的反射功率。图5A是全向模式，四个二极管都导通，每个天线单元都独立地工作。图5B示出了全向模式的对应的水平面辐射方向图。
[0034]图6A所示为任意一个独立天线导通，其余三个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图，图6B示出了图6A模式对应的水平面辐射方向图。
[0035]图7A所示为两个相邻的独立天线导通，其余两个独立天线断开时锥形天线单元的驻波图，图7B示出了图7A模式对应的水平面辐射方向图。
[0036]图8A所示为任意一个独立天线断开，其余三个独立天线导通时锥形天线单元的驻波图，图8B示出了图8A模式对应的水平面辐射方向图。
[0037]虽然结合具体的实施例对本发明进行详细的描述，然而上述描述只是本发明的示例而已，而不能被解释为对本发明的限制。本领域技术人员可以理解的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的范围定义为其保护范围而不是以上实施例的说明。
【主权项】
1.一种天线系统，其特征在于:其包括: 一基板； 与所述基板相连接的天线单元，所述天线单元由四个独立的天线组成。2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述天线单元由金属铜制成。3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述基板为印制电路板(PCB)。4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述四个独立的天线组成的天线单元呈锥形形状，每两个相邻的天线之间具有间隙。5.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于:每两个相邻的天线之间的间隙相同。6.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于:所述每一个天线呈锥面状，所述锥面状天线的顶角为90度。7.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述每个独立的锥面状天线的顶角与基板通过凸台连接。8.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述四个独立天线均有独立的开关。9.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于:所述每个独立的开关为射频开关二极管。10.如权利要求9所述的天线系统，其特征在于:所述射频开关二极管设置在所述基板上，所述开关的一侧连接控制电路，另一侧通过金属化过孔与所述基板的凸台相连，从而连接到对应的锥面状天线。11.如权利要求10所述的天线系统，其特征在于:通过控制电路改变每个独立开关的状态，理论上可以组成24= 16种不同的辐射方向图。12.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于:所述天线单元为一组或多组。
【专利摘要】本发明提供一种应用于WIFI中的多模式锥形天线系统，包括基板、与所述基板相连接的天线单元，所述天线单元由四个独立的天线组成，每个独立的天线有独立的开关，通过控制开关的导通与断开来形成特定的辐射方向图，为通讯设备提供更好的无线链路。与现有技术相比，本发明的天线系统体积小、工作频带宽、辐射方向图可以改变并且成本更低更容易制造的天线。
【IPC分类】H01Q21/00, H01Q21/28, H01Q3/24
【公开号】CN104901024
【申请号】CN201510134836
【发明人】郑博信, 李鑫, 汪义兵, 沈骏, 赵辉
【申请人】康凯科技（杭州）有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月25日
最新回复(0)