CN109273845A - 一种定向天线、基于多天线设计的终端及降低功耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及终端技术领域，公开了一种定向天线、基于多天线设计的终端及降低功耗的方法，所述方法包括：在所述终端进入扫描模式后，逐一单独开启各路信号线中的射频开关，探测依次形成通路的各信号线的信号强度并记录；完成所有信号线的信号强度探测后，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线；在选定工作天线后，单独开启工作天线所连接的射频开关，控制所述终端进入工作模式。本发明实施例一方面可在终端内集成具有低剖面的多个定向天线，一方面针对指定方向，逐一单独开启各个定向天线进行能量探测，选定具有最大能量的定向天线作为工作天线，与现有技术采用全向天线相比，可在有效保证良好通讯质量的基础上大大降低功耗。

Description

一种定向天线、基于多天线设计的终端及降低功耗的方法

技术领域

本发明涉及终端技术领域，尤其涉及一种定向天线、基于多天线设计的终端及降低功耗的方法。

背景技术

移动终端由于多天线之间隔离度以及模组处理能力的局限，现在通常为双天线设计，最多为三天线设计。并且，为了满足空间无死角接收信号的要求，每一根天线均会设计为全向天线，也就是在以天线为中心的整个球面向四周均匀辐射。全向性天线在空间中覆盖范围大，辐射方向图类似苹果的形状，整体增益较低。天线的增益指的是在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

全向天线由于将能量发散的辐射出去，其增益会显著小于将能量集中一个方向发射的定向天线的增益。在针对某个方向实现相同通讯质量时，与全向天线相比，定向天线由于其较大的增益可以发射/接收更小能量。

定向天线的缺点是，一旦所需通讯方向不在定向天线的辐射范围内，将会完全中断通讯。全向天线的优势是不论移动终端如何旋转，都不影响终端设备接收信号的能力。请参阅图1，图1所示为全向天线与定向天线在空间与另一设备(基站或路由器等)完成通讯的3D辐射方向图，可以看出全向天线的能量均匀的发射在整个空间中，定向天线与全向天线明显不同，定向天线将能量较为集中发射在空间的某一个方向。基站或路由器由于其作为定点通讯的特性采用全向天线。从图1可以看出，同样大小的辐射圆，定向天线可以将全部能量准确的辐射至定点天线(基站天线等)，而全向天线只有小部分能量真正被利用。也就是说，完成同样质量的通讯，定向天线相比于全向天线所需要发射的功率更小。然而不论是大型基站还是小型路由器，其位置一般不会改变。也就是说，采用全向天线设计的终端设备的大部分辐射能量都浪费在空间中，只有少部分波束对准基站的能量是有效的。因此，如何对终端的天线进行设计以降低功耗，是目前亟待解决的问题。

另外，传统的定向天线形式有：反射面天线、喇叭天线、八木天线等。这些天线都具有极高的定向性，但是有一个共同的缺点，即横剖面很高。这是由于，以八木天线为例，在天线设计上增加了若干个引向振子和一个反射振子等装置，这些振子须设置在同一平面且两振子之间要有一定的间距。基于横剖面高的因素，导致传统定向天线不利于产品的集成，通常使用在卫星通讯等对尺寸要求较低的领域。因此，横剖面高的缺陷制约着定向天线在终端产品中的应用，也是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定向天线、基于多天线设计的终端及降低功耗的方法，已解决现有终端功耗高的问题以及定向天线不易集成的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种定向天线，包括呈片状的介质层，所述介质层的第一表面设有辐射贴片和第一接地贴片，所述介质层的第二表面设有第二接地贴片；

所述辐射贴片呈矩形结构，位于介质层的第一表面的中间位置；所述第一接地贴片呈环形结构，围设于辐射贴片的四周，且与所述辐射贴片之间形成有间距；

所述定向天线上开设有贯穿第一接地贴片、介质层和第二接地贴片的多个导电通孔，所述导电通孔内壁镀有铜层，使得第一接地贴片和第二接地贴片通过导电通孔导通。

可选的，所述辐射贴片的一角开设有圆弧形切口。

可选的，所述第二接地贴片上开设有两条长槽，两条长槽尺寸相同且相互平行。

可选的，所述导电通孔均匀分布于辐射贴片的四周。

可选的，所述定向天线上还开设有供同轴线的内芯***的馈电通孔，所述馈电通孔贯穿辐射贴片、介质层和第二接地贴片；所述辐射贴片上设有馈电点，供所述同轴线的内芯焊接；所述第二接地贴片上设有焊接点，供所述同轴线的外圈焊接。

可选的，所述介质层的厚度为1mm。

一种基于多天线设计的终端，包括无线模组，还包括控制单元、功分器、开关组和天线组；

所述天线组，包括N个具有不同定向辐射方向的定向天线，且所有定向天线的定向辐射方向合成后覆盖全部方向，所述N为大于2的整数；所述定向天线如上任一所述；

所述无线模组通过功分器与天线组的N个定向天线分别连接，形成N路信号线；

所述开关组，包括N个射频开关，分别分布于不同路的信号线中；

所述功分器，用于将无线模组的射频信号由单路或者双路转换为N路，并将转换得到的每路射频信号经过一所述射频开关输出至对应的定向天线；

所述无线模组，用于在终端进入扫描模式时，探测依次形成通路的各信号线中的信号强度，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线；

所述控制单元，与开关组控制连接，用于在终端进入扫描模式时控制N个射频开关逐一单独开启，使得N路信号线逐一单独形成通路；还用于在选定出工作天线后，控制工作天线所连接的射频开关单独开启，其他射频开关关闭。

可选的，所述终端还包括扫描触发单元，用于实时监测终端的位置信息，在所述位置信息发生改变时，触发终端进入扫描模式。

一种降低功耗的方法，应用于如上所述的终端，包括步骤：

在所述终端进入扫描模式后，逐一单独开启各路信号线中的射频开关，探测依次形成通路的各信号线的信号强度并记录；完成所有信号线的信号强度探测后，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线；

在选定所述工作天线后，单独开启所述工作天线所连接的射频开关，控制所述终端进入工作模式。

可选的，所述方法还包括：实时监测终端的位置信息，在所述位置信息发生改变时，触发终端进入扫描模式。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例一方面可在终端内集成具有低剖面的多个定向天线，一方面针对指定方向，逐一单独开启各个定向天线进行能量探测，选定具有最大能量的定向天线作为工作天线，与现有技术采用全向天线相比，可在有效保证良好通讯质量的基础上大大降低功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为全向天线与定向天线辐射通信方向示意图；

图2为本发明实施例一提供的定向天线的正面结构视图；

图3为本发明实施例一提供的定向天线的背面结构视图；

图4为本发明实施例二提供的定向天线的正面结构视图；

图5为本发明实施例二提供的定向天线的背面结构视图；

图6为本发明实施例二提供的定向天线的2D辐射方向图；

图7为本发明实施例二提供的定向天线的3D辐射方向图；

图8为本发明实施例三提供的终端的原理结构图；

图9为本发明实施例四提供的降低功耗的方法流程图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

请参阅图2至图3，本实施例提供了一种具有低横剖面的定向天线，包括呈片状的介质层1，介质层1的第一表面设有辐射贴片2和第一接地贴片3，介质层1的第二表面设有第二接地贴片4。通过第一接地贴片3和第二接地贴片4，可分别在介质层1的上下表面形成一地平面。

其中，位于中间的介质层1，通常为FR4基底或介电常数更好的陶瓷基底，厚度可以为1mm。辐射贴片2呈矩形结构，位于介质层1的第一表面的中间位置；第一接地贴片3呈环形结构，围设于辐射贴片2的四周，且与辐射贴片之2间形成有预设间距。由于辐射贴片2与第一接地贴片3之间的间距会影响天线谐振频点，且间距越大天线谐振频率越低，因而本实施例可选的将两者的间距设为介质层1的厚度值。

为了增强定向辐射特性，本实施例的定向天线采用了以下独特设计：

定向天线上开设有贯穿第一接地贴片3、介质层1和第二接地贴片4的多个导电通孔5，该导电通孔5内壁镀有铜层，使得第一接地贴片3和第二接地贴片4通过导电通孔5连接。由于在应用过程中介质层1的第一表面的电磁波会耦合到第二表面的地平面上，并通过第二表面向其他方向辐射，因而本实施例将上下两个地平面通过导电通孔5导通，可以达到对辐射电磁波进行约束的目的，增强天线的定向辐射特性。导电通孔5的数量和分布方式不限制，可以如图1所示均匀分布于辐射贴片2的四周。

此外，本实施例的定向天线的馈电方式为同轴线直接馈电，定向天线上还开设有供同轴线的内芯***的馈电通孔，馈电通孔贯穿第一接地贴片3、介质层1和第二接地贴片4；辐射贴片2上设有馈电点，供同轴线的内芯焊接；第二接地贴片4上设有焊接点，供同轴线的外圈焊接。具体馈电方式为：将同轴线内芯从第二表面***，焊接在第一表面的辐射贴片2上的馈电点进行馈电，同轴线外圈直接焊接在第二表面的第二接地贴片4上的焊接点。

不同于传统定向天线，本发明实施例提供的定向天线未使用引向器等装置，而是在上表面的辐射贴片2的周圈增加了地平面并通过导电通孔5与下表面的地平面连接，对辐射电磁波侧面方向进行约束；同时下表面地平面起反射器的作用，将向下辐射的电磁波向上反射，因而具有横剖面低且定向辐射性能优的优点。

实施例二

请参阅图4至图5，为了进一步增强定向辐射特性，本实施例二提供了另一种具有低横剖面的定向天线，在实施例一的基础上增加了以下独特设计：

1)辐射贴片2的一角开设有圆弧形切口6，这样可增强发射信号的能力，提升天线的阻抗控制能力。

由于天线同轴线馈电的阻抗为50+j0Ω，要实现最大的天线辐射能力，天线与馈线须达到阻抗匹配。在未开设圆弧形切口6时，天线的阻抗为50-j0Ω，辐射贴片2(未切角时)的阻抗为100-j90Ω，与同轴馈电线阻抗匹配效果差。本实施例通过开设圆弧形切口6，改变了寄生电抗状态，最终辐射贴片2的阻抗为50-j7Ω，大大提升了阻抗匹配，增强了辐射能力。

2)第二接地贴片4上，开设有两条相同尺寸的长槽7，可降低地平面的耦合电磁波，防止向下辐射，进一步增强天线的定向辐射特性。

请参阅图6和图7，图6为本实施例的定向天线的2D辐射方向图，图7为本实施例的定向天线的3D辐射方向图，由此可以看到本实施例的定向天线具有正向辐射性，具有极小的后向辐射，并且正向辐射成圆球型，能够很好地覆盖定向天线所正对的区域。

因此，本实施例提供的定向天线厚度较薄，并且具有良好的正方向定向辐射特性，可以轻松集成到终端产品中。

实施例三

请参阅图8，本实施例提供了一种基于多天线设计的终端，包括：无线模组、控制单元、功分器、开关组和天线组。

天线组，包括N个具有不同定向辐射方向的定向天线，且所有定向天线的定向辐射方向合成后覆盖全部方向，即使得天线组的整个辐射方向为全向。本实施例中，定向天线选用实施例一或者实施例二提供的具有低剖面的定向天线，便于集成。定向天线的数量不限定，可根据所选型号的辐射区域大小来确定。

无线模组通过功分器与天线组的N个定向天线分别连接，形成N路信号线。

开关组，包括N个射频开关，分别分布于不同路的信号线中。

功分器，用于将无线模组的射频信号由单路或者双路转换为N路，并将转换得到的每路射频信号经过一射频开关输出至对应的定向天线。

无线模组，用于在终端进入扫描模式时，探测依次形成通路的各信号线中的信号强度，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线。

控制单元，与开关组控制连接，用于在终端进入扫描模式时控制N个射频开关逐一单独开启，使得N路信号线逐一单独形成通路，以便无线模组进行信号强度探测；还用于在选定出工作天线后，控制工作天线所连接的射频开关单独开启，其他射频开关关闭。

本实施例的终端还可包括扫描触发单元，用于实时监测终端的位置信息，在所述位置信息发生改变时，触发终端进入扫描模式。

对于移动终端(如笔记本电脑)，由于无线模组一般只有两个端子，现有技术一般设计为双wifi天线。而对于一个立体空间，两根定向天线不可能覆盖所有的方向。因此，本实施例在无线模组的输出端使用功分器来完成单端或者双端至多端的转换，以便于使用更多数量的定向天线来实现较大范围的能量扫描；并且，通过控制单元来管控各路信号线中的射频开关的开关状态，以辅助无线模组完成工作天线的选择。

实施例四

本实施例提供了一种基于多天线设计的降低功耗的方法，应用于实施例三所述的终端，包括步骤：

在所述终端进入扫描模式后，逐一单独开启各路信号线中的射频开关，探测依次形成通路的各信号线的信号强度并记录；完成所有信号线的信号强度探测后，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线；

在选定所述工作天线后，单独开启所述工作天线所连接的射频开关，控制所述终端进入工作模式。

具体的，请参阅图9，本实施例提供的降低功耗的方法包括：

步骤101、触发终端进入扫描模式。

本实施例中，终端包括扫描模式和正常工作模式；在扫描模式，终端将从天线组中筛选出在指定方向具有最大辐射能量的定向天线作为工作天线；在正常工作模式，终端将仅应用选定的工作天线完成无线信号发射工作。

触发方法可以为：实时监测终端的位置信息，在位置信息发生改变时，触发终端进入扫描模式。

步骤102、单独开启第i路信号线中的射频开关，使得当前第i路信号线为通路且其他路的信号线为闭路。

其中，i为整数且1≤i≤N，i的初始值为1。

步骤103、探测第i路信号线中的信号强度并记录。

步骤104、i自动增1后，判断是否i＞N，若i＞N，则表明已完成所有信号线的信号强度探测，进入步骤105；若i≤N，则跳转至步骤102，继续下一路信号线的信号强度探测。

步骤105、根据记录信息，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线。

步骤106、控制工作天线所连接的射频开关单独开启，其他射频开关关闭，之后终端进入正常工作模式。

在上述方法中，一方面在终端内集成具有低剖面的多个定向天线，一方面针对指定方向，逐一单独开启各个定向天线进行能量探测，选定具有最大能量的定向天线作为工作天线，与现有技术采用全向天线相比，可在有效保证良好通讯质量的基础上大大降低功耗。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种定向天线，包括呈片状的介质层，其特征在于，所述介质层的第一表面设有辐射贴片和第一接地贴片，所述介质层的第二表面设有第二接地贴片；

所述辐射贴片呈矩形结构，位于介质层的第一表面的中间位置；所述第一接地贴片呈环形结构，围设于辐射贴片的四周，且与所述辐射贴片之间形成有间距；

所述定向天线上开设有贯穿第一接地贴片、介质层和第二接地贴片的多个导电通孔，所述导电通孔内壁镀有铜层，使得第一接地贴片和第二接地贴片通过导电通孔导通。

2.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述辐射贴片的一角开设有圆弧形切口。

3.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述第二接地贴片上开设有两条长槽，两条长槽尺寸相同且相互平行。

4.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述导电通孔均匀分布于辐射贴片的四周。

5.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述定向天线上还开设有供同轴线的内芯***的馈电通孔，所述馈电通孔贯穿辐射贴片、介质层和第二接地贴片；所述辐射贴片上设有馈电点，供所述同轴线的内芯焊接；所述第二接地贴片上设有焊接点，供所述同轴线的外圈焊接。

6.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述介质层的厚度为1mm。

7.一种基于多天线设计的终端，包括无线模组，其特征在于，还包括控制单元、功分器、开关组和天线组；

所述天线组，包括N个具有不同定向辐射方向的定向天线，且所有定向天线的定向辐射方向合成后覆盖全部方向，所述N为大于2的整数；所述定向天线如权利要求1至6任一所述；

所述无线模组通过功分器与天线组的N个定向天线分别连接，形成N路信号线；

所述开关组，包括N个射频开关，分别分布于不同路的信号线中；

所述功分器，用于将无线模组的射频信号由单路或者双路转换为N路，并将转换得到的每路射频信号经过一所述射频开关输出至对应的定向天线；

所述无线模组，用于在终端进入扫描模式时，探测依次形成通路的各信号线中的信号强度，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线；

所述控制单元，与开关组控制连接，用于在终端进入扫描模式时控制N个射频开关逐一单独开启，使得N路信号线逐一单独形成通路；还用于在选定出工作天线后，控制工作天线所连接的射频开关单独开启，其他射频开关关闭。

8.根据权利要求7所述的基于多天线设计的终端，其特征在于，所述终端还包括扫描触发单元，用于实时监测终端的位置信息，在所述位置信息发生改变时，触发终端进入扫描模式。

9.一种降低功耗的方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求7所述的终端，包括步骤：

在所述终端进入扫描模式后，逐一单独开启各路信号线中的射频开关，探测依次形成通路的各信号线的信号强度并记录；完成所有信号线的信号强度探测后，选定具有最强信号强度的信号线中的定向天线作为工作天线；

在选定所述工作天线后，单独开启所述工作天线所连接的射频开关，控制所述终端进入工作模式。

10.根据权利要求9所述的降低功耗的方法，其特征在于，所述方法还包括：实时监测终端的位置信息，在所述位置信息发生改变时，触发终端进入扫描模式。