CN109411876B - 一种天线及通信设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种天线及通信设备。该天线包括：馈电振子、以及至少一个非馈电振子，其中，每个非馈电振子与馈电振子的垂直距离介于设定阈值内，每个非馈电振子包括接地的第一导体、调整电路以及设置在第一导体上并用于控制调整电路的控制开关，其中，调整电路用于调整非馈电振子的电流路径长度；在调整电路打开时，非馈电振子形成反射器，在调整电路关闭时，非馈电振子形成引向器，采用反射器和引向器的兼容设计，使得天线得到1个馈电振子+a个引向器+b个反射器的组合来实现高的定向增益和干扰抑制能力；a、b>＝1，a+b＝非馈电振子个数。此外，在切换反射器与引向器时，可快速完成天线波束切换，实现简单，尺寸小。

Description

一种天线及通信设备
技术领域
本申请涉及信息技术领域，尤其涉及一种天线及通信设备。
背景技术
无线局域网(wireless local area network，WLAN)广泛用于家庭、办公以及其他室内/室外环境。而在家庭、办公等室内环境中，安装的WLAN通信设备，例如接入点(也可称为热点)，的水平覆盖范围以及穿墙性能是影响WLAN性能的重要指标。因此，WLAN通信设备中高定向增益、可自适应切换波束的智能天线变得非常重要。
现有的智能天线其实现方法有：
1.通过射频开关选择不同的天线或天线阵列进行辐射，每个天线或天线阵列器辐射方向不同，从而实现***天线波束的切换。
2.通过控制开关将振子与馈电网络连接起来，通过选择控制开关的通断来选择不同的振子进行辐射。不同的振子其辐射方向不同，从而实现波束切换。
3.利用控制开关选通不同方向的反射器，从而实现波束切换。
但是，这些方案存在天线的定向增益相对全向增益提升小，以及天线阵列的尺寸大导致不易于内置集成等问题。
发明内容
本申请提供一种天线及通信设备，用以提高WLAN通信设备的通信效果。
第一方面，提供了一种天线，该天线包括：馈电振子、以及至少一个非馈电振子，其中，每个非馈电振子与所述馈电振子的垂直距离介于设定阈值内，每个非馈电振子包括接地的第一导体、调整电路以及设置在所述第一导体上并用于控制所述调整电路的控制开关，其中，所述调整电路用于调整所述非馈电振子的电流路径长度；
在所述控制开关关断时，电流流经所述第一导体及所述调整电路，所述非馈电振子的电流路径长度大于所述馈电振子的谐振长度；在所述控制开关导通时，电流流经所述第一导体及控制开关，所述非馈电振子的电流路径长度小于所述馈电振子的谐振长度。
在上述技术方案中，控制非馈电振子的电流路径长度及与馈电振子的距离，使得在调整电路打开时，非馈电振子形成反射器，在调整电路关闭时，非馈电振子形成引向器，采用反射器和引向器的兼容设计，使得天线得到1个馈电振子(馈电振子)+a个引向器+b个反射器的组合来实现高的定向增益和干扰抑制能力；(a、b>＝1，a+b＝非馈电振子个数)。此外，在切换反射器与引向器时，可快速完成天线波束切换，实现简单，尺寸小。
在一个具体的实施方案中，所述第一导体包括第一子导体及第二子导体，所述控制开关的两端分别与所述第一子导体及第二子导体连接，所述调整电路包括第二导体，且所述第二导体的两端分别与所述第一子导体及第二子导体连接；在所述控制开关导通时，所述第一子导体通过所述控制开关与第二子导体连通；在所述控制开关关断时，所述第一子导体通过第二导体与第二子导体连通。通过第二导体来改变非馈电振子的电流路径长度，该第二导体为一段金属导体，在第二导体加入到第一导体内时，增加的电流路径长度为第二导体的长度，此外，该第二导体的形状不受限定，既可以采用直线型，也可以为弧形或者其他的形状，唯一影响加入到第一导体的电流路径长度为第二导体的长度。第一子导体及第二子导体也为一段金属导体，其形状也不受限定，可以采用不同的长度。如在一个具体的实施方案中，所述第二导体为U形的折弯结构。
在一个具体的实施方案中，在所述控制开关导通时，所述非馈电振子的电流路径长度大于λ/4且大于所述馈电振子的谐振长度；在所述控制开关关断时，所述非馈电振子的电流路径长度小于λ/4且小于所述馈电振子的谐振长度，其中λ为馈电振子的介质波长。
在一个具体的实施方案中，所述控制开关的两端分别设置有连接点，所述第一子导体的一端及所述第二导体的一端固定在所述控制开关一端的连接点，所述第二子导体的一端及所述第二导体的另一端固定在所述控制开关另一端的连接点。方便了第二导体的连接，同时，保证了电流走过的电流路径长度可以等同于第一导体及第二导体的长度，可以根据第一导体及第二导体的长度来直接限定整个电流路径长度。
在一个具体的实施方案中，所述第二导体上设置匹配网络。通过设置的匹配网络调整第二导体加入到第一导体内的电流路径长度。
在一个具体的实施方案中，所述匹配网络为电感或者串联的电容和电感。在实际使用时，可以根据不同的需求选用不同的电流路径长度。
在一个具体的实施方案中，所述设定阈值为0.2λ～0.25λ，其中λ为馈电振子的介质波长。在具体设置时，非馈电振子距离馈电振子的距离可以采用0.2λ、0.21λ、0.22λ、0.23λ、0.24λ、0.25λ等不同的距离。
在一个具体的实施方案中，在所述调整电路关闭时，所述非馈电振子的电流路径长度介于0.21λ～0.24λ之间。即在调整电路关闭时，非馈电振子的电流路径长度可以为0.21λ、0.22λ、0.23λ、0.24λ等不同长度的电流路径长度。在所述调整电路打开时，所述非馈电振子的电流路径长度介于0.26λ～0.28λ之间，其中λ为馈电振子的介质波长。即在调整电路打开时，非馈电振子的电流路径长度可以为0.26λ、0.27λ、0.28λ等不同长度的电流路径长度。
在一个具体的实施方案中，所述非馈电振子的个数为四个，且四个非馈电振子环绕所述馈电振子排列。通过四个非馈电振子上的调整电路的打开及关闭形成不同个数的反射器以及引向器，从而提高定向增益和干扰抑制能力。
在一个具体的实施方案中，所述四个非馈电振子围成环形，且均匀设置。
第二方面，提供了一种通信设备，该通信设备包括上述任一项所述的天线。
在上述技术方案中，控制非馈电振子的电流路径长度及与馈电振子的距离，使得在调整电路打开时，非馈电振子形成反射器，在调整电路关闭时，非馈电振子形成引向器，采用反射器和引向器的兼容设计，使得天线得到1个馈电振子(馈电振子)+a个引向器+b个反射器的组合来实现高的定向增益和干扰抑制能力；(a、b>＝1，a+b＝非馈电振子个数)。此外，在切换反射器与引向器时，可快速完成天线波束切换，实现简单，尺寸小。
附图说明
图1为本申请提供的一种天线的结构示意图；
图2为本申请提供的一种调整电路的结构示意图；
图3为本申请提供的非馈电振子作为反射器的原理图；
图4为本申请提供的非馈电振子作为引向器的原理图；
图5为本申请提供的另一种调整电路的结构示意图；
图6为本申请提供的另一种天线的结构示意图；
图7为图6所示的天线结构的全向仿真图；
图8为图6所示的天线结构的定向仿真图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
如图1所示，本申请实施例提供一种天线，该天线包括：馈电振子1以及至少一个非馈电振子2，其中，每个非馈电振子2与馈电振子1的垂直距离介于设定阈值内，每个非馈电振子2包括接地的第一导体21、调整电路22以及设置在第一导体21上并用于控制调整电路22的控制开关23，其中，调整电路22用于调整非馈电振子2的电流路径长度；
在控制开关23关断时，电流流经第一导体21及调整电路22，非馈电振子2的电流路径长度大于馈电振子1的谐振长度；在控制开关23导通时，电流流经第一导体21及控制开关23，非馈电振子2的电流路径长度小于馈电振子1的谐振长度。
其中的馈电振子1可以为不同类型的天线，具体的如：单极子天线或PIFA天线(Planar Inverted F Antenna，平板倒置F天线，或称为皮法天线)。
在上述方案中，通过非馈电振子2具有反射器和引向器的功能，非馈电振子2在两个器件工作模式切换时，通过调整电路22来进行控制，当调整电路22接入到第一导体21时，第一导体21的整体电长度路径增大，此时，非馈电振子2作为反射器，当调整电路22未接入到第一导体21时，第一导体21的电流路径长度小于馈电振子1的谐振长度，此时，非馈电振子2作为引向器。下面详细说明，非馈电振子2的工作原理。
其中的非馈电振子接地，中间为馈电振子1，并且非馈电振子2与馈电振子1之间的处置距离位于设定的阈值内，该设定阈值为0.2λ～0.25，其中λ为馈电振子1的介质波长。在具体设置时，非馈电振子2距离馈电振子1的距离可以采用0.2λ、0.21λ、0.22λ、0.23λ、0.24λ、0.25λ等不同的距离。只需保证非馈电振子2与馈电振子1之间的距离介于0.2λ～0.25λ即可，该λ为馈电振子1的介质波长，其中，该馈电振子1的谐振长度约为四分之一波长(即λ/4)。在具体使用时，当非馈电振子2的电流路径长度比谐振长度略长，所述非馈电振子2呈感性，电流比电压滞后90°，对于由非馈电振子2指向馈电振子1的方向，因馈电振子1与非馈电振子2之间的路径差引起的90°相位差与非馈电振子2因呈感性而引起的相位差会相互抵消，从而使得非馈电振子2和馈电振子1在该方向的辐射场得到迭加加强，同理，对相反方向，因馈电振子1与非馈电振子2之间的路径差引起的90°相位差与非馈电振子2因呈感性而引起的相位差会迭加为180°，从而使得非馈电振子2和馈电振子1在该方向的辐射场相互抵消，一个方向电场加强一个方向电场削弱，即形成一个定向波束，此时非馈电振子2对波束起反射作用，为反射器。
当非馈电振子2的电流路径长度比谐振长度略短，且距离馈电振子1约四分之一波长时。所述非馈电振子2呈容性，电流比电压超前90°。对于由非馈电振子2指向馈电振子1的方向，因馈电振子1与非馈电振子2之间的路径差引起的90°相位差与非馈电振子2因呈感性而引起的相位差会迭加为180°，从而使得非馈电振子2和馈电振子1在该方向的辐射场得到抵消，同理，对相反方向，因馈电振子1与非馈电振子2之间的路径差引起的90°相位差与非馈电振子2因呈感性而引起的相位差会相互抵消，从而使得非馈电振子2和馈电振子1在该方向的辐射场得到迭加。此时非馈电振子2对波束起引向作用，为引向器。
在具体调节非馈电振子2的电长度路径时，通过调整电路22进行调整，如图1所示，本实施例设置的非馈电振子2包含两部分，一部分为电流路径长度不变的第一导体21，另一部分为电流路径长度不变的调整电路22。其中的第一导体21包括两部分，分别为第一子导体211及第二子导体212，控制开关23的两端分别与第一子导体211及第二子导体212连接。如图2所示，该第一子导体211及第二子导体212连接成直线状的棒状结构，影响第一导体21的电长度路径的结构在于电流在第一导体21上流经的长度，对第一导体21的形状不做限定。因此，第一导体21的形状不仅限于上述一种形状，还可以是其他的任意形状，如框形、螺旋形、波浪形等不同的形状，对应的第一子导体211及第二子导体212也可以采用上述的形状。并且第一子导体211及第二子导体212之间通过控制调整电路22导通的控制开关23进行连接，在控制开关23关断时，第一子导体211与第二子导体212不直接连通。当控制开关23导通时，第一子导体211及第二子导体212直接连通。
对于非馈电振子2的调整电路22，其至少包括一个第二导体221，该第二导体221的两端分别与第一子导体211及第二子导体212连接；其中，第二导体221上的电长度路径为调整非馈电振子2的电长度路径的值。如图3所示，控制开关23关断时，第一子导体211通过第二导体22与第二子导体212连通，其中带箭头的直线示意出了电长度路径，第二导体221的电长度路径加入到第一导体21上时，非馈电振子2的电长度路径为：第一导体21的电长度路径与第二导体221的电长度路径之和；如图4所示，控制开关23导通，第一子导体211通过控制开关23与第二子导体212连通；其中带箭头的直线示意出了电长度路径，非馈电振子2上的电流流经控制开关23以及第一导体21，此时，电长度路径为第一导体21的电长度路径及控制开关23上的电长度路径的和。第二导体221是否加入到第一导体21上，通过设置的控制开关23来进行控制，在控制开关23导通时，调整电路22关闭，第一子导体211及第二子导体212连通，电流流经第一子导体211及第二子导体212，此时，流经第二导体221的电流很小几乎可以忽略不计，因此，非馈电振子2的电长度路径为第一导体21的电长度路径及控制开关23上的电长度路径的和。在控制开关23关断时，调整电路22打开，第一子导体211、第二导体221及第二子导体212连通，电流流经第一子导体211、第二导体221及第二子导体212，因此，非馈电振子2的电长度路径为第一导体21的电长度路径加上第二导体221的电长度路径。其中，上述的控制开关23在一个具体的使用方式中可以为PIN二极管(pin diode)。控制开关23的开断，通过天线对应的通信设备控制，具体的，通信设备采用自适应算法对接收到的终端发射的信号进行分析，得到终端所在的位置，并控制CPU发送控制信号导通部分pindiode，使的该部分非馈电振子2为引向器，其他非馈电振子2为反射器。将天线切换成最大辐射方向指向终端的定向天线。
由上述描述可以看出，通过第二导体221的电长度路径可以调整非馈电振子2的电长度路径，因此，在设计时，控制第一导体21的电流路径长度及第二导体221电流路径长度即可，使得第一导体21的电流路径长度小于λ/4以及馈电振子1的谐振长度，并且使得第一导体21的电流路径长度加上第二导体221的电流路径长度大于λ/4及馈电振子1的谐振长度。从而使得非馈电振子2既可以作为反射器，又可以作为引向器，并且通过改变控制开关23的工作状态，实现非馈电振子2在两种模式的切换。
在具体设置时，当非馈电振子2作为引向器时，此时，控制开关23导通，电流流经第一导体21及控制开关23，非馈电振子2的电流路径长度小于馈电振子1的谐振长度。在一个更具体的实施方案中，非馈电振子2的电流路径长度小于λ/4且小于馈电振子1的谐振长度，其中λ为馈电振子的介质波长。如非馈电振子2的电流路径长度介于0.21λ～0.24λ之间。此时的非馈电振子2的电流路径长度为第一导体21的电流路径长度，即为限定第一导体21的电流路径长度介于0.21～0.24λ，如第一导体21的电流路径长度可以为0.21λ、0.22λ、0.23λ、0.24λ等不同长度的电流路径长度，此时，非馈电振子2的电流路径长度即为0.21λ、0.22λ、0.23λ、0.24λ等不同长度的电流路径长度。
此外，在非馈电振子2作为反射器时，非馈电振子2的电流路径长度大于馈电振子1的谐振长度。即在控制开关23关断时，电流流经第一导体21及调整电路22，第一导体21及调整电路22的电流路径长度大于馈电振子1的谐振长度，在一个更具体的实施方案中，非馈电振子2的电流路径长度大于λ/4且大于馈电振子1的谐振长度；如非馈电振子2的电流路径长度介于0.26λ～0.28λ。即在调整电路22打开时，非馈电振子2的电流路径长度可以为0.26λ、0.27λ、0.28λ等不同长度的电流路径长度。在非馈电振子2作为反射器时，非馈电振子2的电长度路径为第一导体21的电长度路径的长度加上第二导体221的电长度路径的长度，由于已经限定了第一导体21的电流路径长度为0.21～0.24λ，因此，第二导体221的电流路径长度为0.03λ～0.07λ之间。如0.03λ、0.04λ、0.05λ、0.06λ、0.07λ等不同的电流路径长度。
由图2可以看出，第一导体21采用两段金属段，该两端金属段分别为第一子导体211及第二子导体212。调整电路22采用第二导体221导电，该第二导体221也为一段金属导体。此时，在第二导体221加入到第一导体21内时，增加的电流路径长度为第二导体221的长度，此外，该第二导体221的形状不受限定，既可以采用直线型，也可以为弧形或者其他的形状，如图2所示，第二导体221为U形的折弯结构。唯一影响加入到第一导体21的电流路径长度为第二导体221的长度。当然调整电路22的电长度路径还可以通过其他的方式进行限定，如图5所示，该调整电路22还包括匹配网络222，该匹配网络222设置在第二导体221上，并用于改变非馈电振子2的电长度路径。在具体设置时，该匹配网络222可以为电容、电感、或者串联的电容和电感。如在电流流经电感时，相当于走过一段很长的路径，因此，通过设置的电感可以改变非馈电振子2的电长度路径。
在第二导体221与第一导体21连接时，第二导体221的两端分别与第一子导体211及第二子导体212连接，但是，第二导体221与第一子导体211及第二子导体212连接的位置直接影响到整个非馈电振子2的电流路径长度。如第二导体221与第一子导体211的连接位置距离第一子导体211与控制开关23连接的位置之间具有一端距离，那么第一子导体211上这段距离在控制开关23关断时不参与到电流流通，此时，如果按照第一子导体211的长度来计算电长度路径时，实际的非馈电振子2的电流路径长度要小于计算的电流路径长度。因此，在确定好第二导体221与第一子导体211及第二子导体212的连接位置后，再确定第一导体21实际参与到电长度路径的部分，通过改变第一子导体211及第二子导体212的长度弥补上由于第二导体221的连接位置带来的影响。或者，采用在具体设置时，控制开关23的两端分别设置有连接点，第一子导体211的一端及第二导体221的一端固定在控制开关23一端的连接点，第二子导体212的一端及第二导体221的另一端固定在控制开关23另一端的连接点。方便了第二导体221的连接，同时，第一子导体211及第二子导体212的所有部分均作为电长度路径，保证了电流走过的电流路径长度可以等同于第一导体21及第二导体221的长度，此时，可以根据第一导体21及第二导体221的长度来直接限定整个电流路径长度。
为了方便理解本实施例提供的天线，下面以一个具体的实施例对其进行详细的说明。如图6所示，非馈电振子2的个数为四个，且四个非馈电振子2环绕馈电振子1排列。通过四个非馈电振子2上的调整电路22的打开及关闭形成不同个数的反射器以及引向器，从而提高定向增益和干扰抑制能力。在具体设置时，四个非馈电振子2围成环形，且均匀设置。
继续参考图6，中间为馈电振子为一个馈电振子，在其水平面四周有四个非馈电振子(2A、2B、2C、2D)，每个非馈电振子均采用如上所述发明，当所有非馈电振子的控制开关23全部导通时，得到的天线为全向天线，其方向图为一个全向的方向图，其仿真图如图7所示。当非馈电振子1的控制开关23导通，非馈电振子2B、2C、2D的控制开关23断开时。非馈电振子2A作为引向器，对馈电振子的波束进行牵引；非馈电振子2B、2C、2D作为反射器，对馈电振子的波束进行反射。引向器和反射器同时工作可以得到一个高定向性和后瓣抑制的定向波束，此时得到的天线为一个定向天线，其仿真图如图8所示。因此，通过选通不同非馈电振子的控制开关23可以得到指向不同的定向波束，即不同的定向天线，从而可以实现一种高增益的自适应智能天线。
继续参考图6，在图6中，非馈电振子2A、2B、2C、2D的调整电路的朝向可以任意设置，为了降低整个天线占用的空间面积，较佳的，四个非馈电振子的调整电路可以设置成均朝向馈电振子的方向，从而最大限度的减少天线占用的面积。
通过上述描述可以看出，通过对反射器和引向器的兼容设计，得到1个馈电振子+a个引向器+b个反射器的组合来实现高效的定向增益和干扰抑制能力；其中a、b>＝1，a+b＝非馈电振子个数。此外，本申请通过选择导通不同的pin diode，可快速完成天线波束切换，天线波束选择简单、丰富，天线的实现简单、尺寸小。对于一个n*n的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)的多天线无线通信***，每个天线包含m个非馈电振子，则该MIMO***有种波束状态，其中，m为天线的个数，n为天线的个数。在具体使用时，通信设备采用自适应算法对接收到的终端发射的信号进行分析，得到终端所在的位置，并控制CPU发送控制信号导通部分pin diode，使的该部分非馈电振子2为引向器，其他非馈电振子2为反射器。将天线切换成最大辐射方向指向终端的定向天线。
此外，本申请还提供了一种通信设备，该通信设备包括上述任一项的天线。
在上述技术方案中，控制非馈电振子2的电流路径长度及与馈电振子1的距离，使得在调整电路22打开时，非馈电振子2形成反射器，在调整电路22关闭时，非馈电振子2形成引向器，采用反射器和引向器的兼容设计，使得天线得到1个馈电振子(馈电振子1)+a个引向器+b个反射器的组合(a、b>＝1，a+b＝非馈电振子个数)，来实现高效的定向增益和干扰抑制能力；。此外，在切换反射器与引向器时，可快速完成天线波束切换，天线的实现简单、尺寸小。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种天线，其特征在于，包括：馈电振子、以及至少一个非馈电振子，其中，每个非馈电振子与所述馈电振子的垂直距离介于设定阈值内，每个非馈电振子包括接地的第一导体、调整电路以及设置在所述第一导体上并用于控制所述调整电路的控制开关，其中，所述调整电路用于调整所述非馈电振子的电流路径长度；
在所述控制开关关断时，电流流经所述第一导体及所述调整电路，所述非馈电振子的电流路径长度大于所述馈电振子的谐振长度；在所述控制开关导通时，电流流经所述第一导体及控制开关，所述非馈电振子的电流路径长度小于所述馈电振子的谐振长度；
所述第一导体包括第一子导体及第二子导体，所述控制开关的两端分别与所述第一子导体及第二子导体连接，所述调整电路包括第二导体，且所述第二导体的两端分别与所述第一子导体及第二子导体连接；在所述控制开关导通时，所述第一子导体通过所述控制开关与第二子导体连通；在所述控制开关关断时，所述第一子导体通过第二导体与第二子导体连通。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述控制开关的两端分别设置有连接点，所述第一子导体的一端及所述第二导体的一端固定在所述控制开关一端的连接点，所述第二子导体的一端及所述第二导体的另一端固定在所述控制开关另一端的连接点。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，在所述控制开关导通时，所述非馈电振子的电流路径长度大于λ/4且大于所述馈电振子的谐振长度；在所述控制开关关断时，所述非馈电振子的电流路径长度小于λ/4且小于所述馈电振子的谐振长度，其中λ为馈电振子的介质波长。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二导体为U形的折弯结构。
5.如权利要求1～4任一项所述的天线，其特征在于，所述设定阈值为0.2λ～0.25λ，其中λ为馈电振子的介质波长。
6.如权利要求1～4任一项所述的天线，其特征在于，在所述控制开关导通时，所述非馈电振子的电流路径长度介于0.21λ～0.24λ之间；在所述控制开关关断时，所述非馈电振子的电流路径长度介于0.26λ～0.28λ之间，其中λ为馈电振子的介质波长。
7.如权利要求1～4任一项所述的天线，其特征在于，所述非馈电振子的个数为四个，且四个非馈电振子环绕所述馈电振子排列。
8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，所述四个非馈电振子围成环形，且均匀设置。
9.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的天线。
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