輻射方向圖可重構(gòu)的電控?zé)o源陣列輻射天線及其配置方法
【專利摘要】本發(fā)明輻射方向圖可重構(gòu)的電控?zé)o源陣列輻射天線及其配置方法涉及一種ESPAR天線，該天線包括接地面；驅(qū)動單元，位于所述接地面上且取向為從所述接地面向外；多個寄生單元，位于所述驅(qū)動單元的周圍，所述寄生單元包括控制電路，用于控制所述寄生單元與所述接地面之間的電長度。本發(fā)明還提供了一種方法，用于對上述天線進(jìn)行配置，該方法包括：對上述天線的所有可能的工作狀態(tài)下的波束進(jìn)行掃描；將掃描結(jié)果與預(yù)定的輻射性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并選擇出其中最能滿足所述預(yù)定的輻射性能要求的掃描結(jié)果；根據(jù)所選擇出的掃描結(jié)果對上述天線進(jìn)行配置；以及檢測上述天線的輻射性能，當(dāng)所檢測到的輻射性能低于所述預(yù)定的輻射性能標(biāo)準(zhǔn)時，重復(fù)上述操作。
【專利說明】輻射方向圖可重構(gòu)的電控?zé)o源陣列輻射天線及其配置方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及天線技術(shù)，特別的涉及一種輻射方向圖可重構(gòu)的電控?zé)o源陣列輻射器(Electrically Steerable Passive Array Radiator,以下稱ESPAR)天線及其配置方法。

【背景技術(shù)】
[0002]可重構(gòu)天線即一種或多種天線的電特性，包括輻射方向圖、極化或工作頻率，可以被重構(gòu)或調(diào)整的天線。由于無線通訊要求設(shè)備的天線能適用于各種不同的環(huán)境，在很多情況下可以采用方向圖可重構(gòu)天線。ESPAR天線就是其中之一。圖1(a)為一種傳統(tǒng)的ESPAR天線100的立體圖。除了驅(qū)動單元102和接地面106以外，該ESPAR天線100還包括數(shù)個圍繞在驅(qū)動單元102周圍的寄生單元104。圖1(b)所示為傳統(tǒng)ESPAR天線100中寄生單元104的典型控制電路。該控制電路通過采用可變電壓源112在控制信號SI的控制下產(chǎn)生不同的直流電壓，從而改變可變電容114的等效電容值，使得ESPAR天線100產(chǎn)生不同的輻射方向圖。
[0003]傳統(tǒng)ESPAR天線的問題在于要使用可變電壓源以及可變電容改變寄生單元的電磁特性，因而傳統(tǒng)ESPAR天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本也很高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于上述問題的存在，需要發(fā)明一種結(jié)構(gòu)簡單并且造價相對低廉的ESPAR天線。
[0005]本發(fā)明一方面公開了一種天線，包括接地面；驅(qū)動單元，位于所述接地面上且取向為從所述接地面向外；寄生單元，位于所述驅(qū)動單元的周圍，所述寄生單元包括控制電路，用于控制所述寄生單元與所述接地面之間的電長度。
[0006]特別的，所述控制電路包括第一開關(guān)，用于在第一信號的控制下使所述寄生單元通過第一電長度與所述接地面相連；第二開關(guān)，用于在第二信號的控制下使所述寄生單元通過第二電長度與所述接地面相連；其中，所述第一電長度不同于所述第二電長度。
[0007]特別的，所述寄生單元還包括金屬棒，其取向為從所述接地面向外；所述控制電路還包括傳輸線，連接在所述金屬棒和所述第二開關(guān)之間；所述第一開關(guān)位于所述金屬棒與所述接地面之間；所述第一電長度為所述金屬棒的長度；所述第二電長度為所述金屬棒和所述傳輸線的長度。
[0008]特別的，所述傳輸線為嵌入在所述接地面并位于所述金屬棒周圍的共面波導(dǎo)或其他平面?zhèn)鬏斁€。
[0009]特別的，所述寄生單元還包括位于所述傳輸線與所述接地面之間的隔離帶，所述第一和第二開關(guān)位于所述隔離帶之中。
[0010]特別的，所述隔離帶是位于所述寄生單元周圍的空隙或者由絕緣材料構(gòu)成。
[0011 ] 特別的，其中當(dāng)所述第一開關(guān)導(dǎo)通，所述第二開關(guān)斷開時，所述寄生單元工作在引向器狀態(tài)；當(dāng)所述第一開關(guān)斷開，所述第二開關(guān)導(dǎo)通時，所述寄生單元工作在反射器狀態(tài)。
[0012]特別的，所述開關(guān)包括PIN開關(guān)二極管，MOSFET開關(guān)，微電子機械射頻(MEMS RF)開關(guān)或其他射頻開關(guān)。
[0013]特別的,所述天線進(jìn)一步包括數(shù)個寄生單元,其中每個所述寄生單元都包括至少一個所述控制電路，用于控制相應(yīng)的所述寄生單元與所述接地面之間的電長度。
[0014]特別的，所述接地面為圓形，所述數(shù)個寄生單元沿接地面的徑向分布。
[0015]在本發(fā)明所述的實施例中，采用簡單的數(shù)字電路控制信號就可以直接對所述ESPAR天線的輻射方向圖進(jìn)行調(diào)整。這種天線不僅結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，還具有更高的可靠性。
[0016]本發(fā)明另一方面公開了一種方法，用于對上述天線進(jìn)行配置，該方法包括:對上述天線的所有可能的工作狀態(tài)下的波束進(jìn)行掃描；將掃描結(jié)果與預(yù)定的輻射性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并選擇出其中最能滿足所述預(yù)定的輻射性能要求的掃描結(jié)果；根據(jù)所選擇出的掃描結(jié)果對上述天線進(jìn)行配置；以及檢測上述天線的輻射性能，當(dāng)所檢測到的輻射性能低于所述預(yù)定的輻射性能標(biāo)準(zhǔn)時，重復(fù)上述操作。
[0017]特別的，對上述天線進(jìn)行配置的操作包括，根據(jù)所選擇出的掃描結(jié)果調(diào)整所述數(shù)個寄生單元的控制電路中的開關(guān)的導(dǎo)通或斷開狀態(tài)。
[0018]采用本發(fā)明所述的方法，用戶可以根據(jù)不同的需要以及應(yīng)用環(huán)境的變化，靈活的調(diào)整ESPAR天線的配置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1 (a)是現(xiàn)有ESPAR天線的立體圖；
[0020]圖1 (b)是現(xiàn)有ESPAR天線中寄生單元的典型控制電路；
[0021]圖2(a)是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所述的ESPAR天線的立體圖；
[0022]圖2 (b)是圖2 (a)所示ESPAR天線的寄生單元的放大圖；
[0023]圖2(c)是圖2(a)所示的ESPAR天線的寄生單元控制電路的電路圖；
[0024]圖2 (d)是圖2 (a)所示的ESPAR天線的俯視圖；
[0025]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的ESPAR天線的輻射方向圖；以及
[0026]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所述的對本發(fā)明ESPAR天線進(jìn)行配置的方法的流程圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所述的ESPAR天線的寄生單元的示例性組合的列表。

【具體實施方式】
[0027]下面詳細(xì)討論本申請的實施例的制造和使用。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明提供了許多可以在各種具體背景下實施的可行的創(chuàng)新性概念。所討論的具體實施例僅是說明制造和使用本發(fā)明的具體方式，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0028]圖2(a)所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例所描述的ESPAR天線200的立體圖。所述天線200包括驅(qū)動單元202和接地面206。接地面可以是圓形的，并且在該圓形接地面206的周圍可以具有導(dǎo)電的套筒208。在驅(qū)動單元202的周圍分布著一個或多個寄生單元204。所述多個寄生單元204的結(jié)構(gòu)可以是相同的。
[0029]如圖2(b)所示，每個寄生單元204包括金屬桿212以及控制電路。所述控制電路包括傳輸線214，開關(guān)216和218，以及傳輸線214和接地面206之間的隔離帶217。在本發(fā)明的一個實施例中，傳輸線214嵌入在接地面206中，并且沿接地面206的徑向分布。傳輸線214可以由共面波導(dǎo)、微帶線或其他平面?zhèn)鬏斁€構(gòu)成。隔離帶217可以是圍繞傳輸線214的縫隙，或者由任何本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的絕緣材料構(gòu)成。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，開關(guān)216和218可以是如圖所示的PIN開關(guān)二極管。在其他實施例中，開關(guān)216和218還可以是微電子機械射頻(MEMS RF)開關(guān)或MOS晶體管或其他的射頻開關(guān)器件。
[0031]圖2(c)是寄生單元204控制電路的電路圖。具體的，第一支路包括串聯(lián)的電阻Rl和電感LI,可選的還包括與其串聯(lián)的放大器211。電感LI的一端與金屬棒212相連,并且與傳輸線214和開關(guān)216的一端相連。第二支路包括串聯(lián)的電阻R2和電感L2，可選的還包括與其串聯(lián)的放大器213。電感L2的一端與開關(guān)218的一端相連,并且通過電容C與傳輸線214的另一端相連。
[0032]在第一種情況下，輸入信號Sa和Sb使開關(guān)216導(dǎo)通而使開關(guān)218斷開。這樣，金屬棒212就可以通過開關(guān)216被直接連接到地電平。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，寄生單元204與地電平之間的電長度(electrical length)是所述金屬棒212的長度，且該長度略小于1/4波長，因此寄生單元204可以工作在引向器(director)模式。
[0033]在第二種情況下，輸入另一組信號Sa和Sb，使開關(guān)216斷開而使開關(guān)218導(dǎo)通。這樣，金屬棒212就可以通過傳輸線214和開關(guān)218被連接到地電平。電容C用于隔離直流控制信號Sa對開關(guān)218的影響，而電容C不會對流經(jīng)金屬棒212的交流信號產(chǎn)生影響。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，寄生單元204與地電平之間的電長度是所述金屬棒212的長度加上所述傳輸線214的長度，且該長度略大于1/4波長，因此寄生單元204可以作為工作在反射器(reflector)模式。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當(dāng)開關(guān)216和218都被導(dǎo)通的時候，與上述第一種情況相同。
[0035]由此可見，通過開關(guān)216和218導(dǎo)通和斷開狀態(tài)的不同組合，可以賦予寄生單元204不同的電磁特性，從而對天線200的方向產(chǎn)生不同的影響。
[0036]應(yīng)當(dāng)注意的是，前文是以寄生單元204包含兩個開關(guān)216和218為例進(jìn)行的示范性說明，但是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，寄生單元可以包含更多的開關(guān)，從而通過控制寄生單元204與地電平之間的不同的電長度，例如寄生單元204可以通過傳輸線214的一部分與地電平相連，來控制寄生單元204的特性，從而調(diào)整天線200的輻射方向圖。
[0037]圖2 (d)是本發(fā)明一個實施例所描述的ESPAR天線200的俯視圖。在該圖所示的范例中，12個寄生單元204被分為6組，并且以60°角為間隔均勻的沿徑向分布在接地面206上。其中每個寄生單元分別具有兩個開關(guān)A和B。如上所述，對于每個寄生單元來說有三種有效的情況，那么對于圖2(d)中所示的天線200來說，就應(yīng)該存在312種不同的狀態(tài)組合。圖5僅僅列出了這些組合的一部分。
[0038]圖3所示為與圖5中列出的組合情況相對應(yīng)的天線200的方向圖。如圖3(a)-(d)所示，在組合0-3的情況下，天線200可以形成具有不同的波束寬度和波束方向的單向波束。如圖3(e)-(g)所示，在組合4-6的情況下，天線200的輻射方向圖可以包括兩束主波束，并且彼此之間的間隔角度不同。如圖2(d)所示，寄生單元的分布是以60°角為單位旋轉(zhuǎn)對稱的，天線200的輻射分布圖也存在著相應(yīng)的對稱關(guān)系。
[0039]圖5中所列出的各個組合情況下天線200的駐波系數(shù)(Voltage Standing WaveRat1, VSWR)都低于5，甚至有些低于3。例如，在組合I的情況下天線200可以具有高達(dá)8.Sdb的增益。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，還可以在外部配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更好的匹配。
[0040]當(dāng)然，圖2(d)中的分布僅僅是作為范例在此說明，不同的ESPAR天線可以有不同的寄生單元的分布。
[0041]圖4所示為本發(fā)明另一實施例描述的一種對本發(fā)明所介紹的ESPAR天線進(jìn)行配置的方法的流程圖。在步驟402，由基站對所述天線200各種可能工作狀態(tài)下的波束進(jìn)行掃描。這種掃描可以是對天線200所覆蓋平面360°的波束的掃描。這些可能的工作狀態(tài)是由寄生單元中開關(guān)的不同組合情況決定的。在步驟404，該基站接收掃描到的結(jié)果，并將該結(jié)果與預(yù)定的天線輻射特性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。天線的輻射特性可以包括輻射方向圖、極化、工作頻率、功率或者信噪比等等。在步驟406，根據(jù)步驟404得出的比較結(jié)果找出滿足預(yù)定輻射性能標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種組合。在步驟408，依照所確定的一種或多種組合對所述天線進(jìn)行配置。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述配置是通過調(diào)整所述天線200中的開關(guān)情況來實現(xiàn)的。在步驟410，對所述天線的輻射特性進(jìn)行檢測，如果所檢測到得特性低于預(yù)定的水平，則返回到步驟402，重新開始掃描，否則天線200將保持在該配置狀態(tài)。
[0042]本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易就得知，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)改變材料和方法。還應(yīng)該理解的是，除了用于說明實施例的具體語境之外，本發(fā)明提供了許多可應(yīng)用的創(chuàng)新性概念。相應(yīng)地，所附權(quán)利要求旨在將這樣的過程、機器、制造、物質(zhì)合成、裝置、方法或者步驟包括在它們的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種天線，包括: 接地面； 驅(qū)動單元，位于所述接地面上且取向為從所述接地面向外； 寄生單元,位于所述驅(qū)動單元的周圍，所述寄生單元包括控制電路,用于控制所述寄生單元與所述接地面之間的電長度。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，其中所述控制電路包括: 第一開關(guān)，用于在第一信號的控制下使所述寄生單元通過第一電長度與所述接地面相連； 第二開關(guān)，用于在第二信號的控制下使所述寄生單元通過第二電長度與所述接地面相連； 其中，所述第一電長度不同于所述第二電長度。
3.如權(quán)利要求2所述的天線，其中所述寄生單元還包括金屬棒，其取向為從所述接地面向外；所述控制電路還包括傳輸線，連接在所述金屬棒和所述第二開關(guān)之間；所述第一開關(guān)位于所述金屬棒 與所述接地面之間；所述第一電長度為所述金屬棒的長度；所述第二電長度為所述金屬棒和所述傳輸線的長度。
4.如權(quán)利要求3所述的天線，所述傳輸線為嵌入在所述接地面并位于所述金屬棒周圍的共面波導(dǎo)或其他平面?zhèn)鬏斁€。
5.如權(quán)利要求4所述的天線，所述寄生單元還包括位于所述傳輸線與所述接地面之間的隔離帶，所述第一和第二開關(guān)位于所述隔離帶之中。
6.如權(quán)利要求5所述的天線，所述隔離帶是位于所述寄生單元周圍的空隙或者由絕緣材料構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求2所述的天線，其中當(dāng)所述第一開關(guān)導(dǎo)通，所述第二開關(guān)斷開時，所述寄生單元工作在引向器模式；當(dāng)所述第一開關(guān)斷開，所述第二開關(guān)導(dǎo)通時，所述寄生單元工作在反射器模式。
8.如權(quán)利要求2所述的天線，其中所述開關(guān)包括PIN開關(guān)二極管，MOSFET開關(guān)，微電子機械射頻(MEMS RF)開關(guān)或其他射頻開關(guān)。
9.如權(quán)利要求1-8中任一所述的天線，進(jìn)一步包括數(shù)個寄生單元，其中每個所述寄生單元都包括至少一個所述控制電路，用于控制相應(yīng)的所述寄生單元與所述接地面之間的電長度。
10.如權(quán)利要求9所述的天線，其中所述接地面為圓形，所述數(shù)個寄生單元沿接地面的徑向分布。
11.一種方法，用于對權(quán)利要求9所述天線進(jìn)行配置，該方法包括: 對所述天線的所有可能的工作狀態(tài)下的波束進(jìn)行掃描； 將掃描結(jié)果與預(yù)定的輻射性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并選擇出其中最能滿足所述預(yù)定的輻射性能要求的掃描結(jié)果； 根據(jù)所選擇出的掃描結(jié)果對所述天線進(jìn)行配置；以及 檢測所述天線的輻射性能，當(dāng)所檢測到的輻射性能低于所述預(yù)定的輻射性能標(biāo)準(zhǔn)時，重復(fù)上述操作。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中對所述天線進(jìn)行配置的操作包括，根據(jù)所選擇出的掃描結(jié)果調(diào)整所述 數(shù)個寄生單元的控制電路中的開關(guān)的導(dǎo)通或斷開狀態(tài)。
【文檔編號】H01Q3/00GK104051850SQ201310080677
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月13日
【發(fā)明者】廖紹偉, 倪威, 王偉, 沈鋼 申請人:上海貝爾股份有限公司