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CN103165983A - 一种天线装置、设备及信号发射装置 - Google Patents

一种天线装置、设备及信号发射装置 Download PDF

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CN103165983A
CN103165983A CN2012100340752A CN201210034075A CN103165983A CN 103165983 A CN103165983 A CN 103165983A CN 2012100340752 A CN2012100340752 A CN 2012100340752A CN 201210034075 A CN201210034075 A CN 201210034075A CN 103165983 A CN103165983 A CN 103165983A
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China
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antenna
ground plane
described antenna
medium substrate
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张龙
李青侠
容荣
周元
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Huawei Technologies Co Ltd
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Huawei Technologies Co Ltd
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Abstract

本发明实施例提供了一种天线装置。所述包括若干天线、切换单元、接地层、连接线以及介质基板；所述天线用于发射和接收电磁波；所述连接线用于连接所述切换单元和所述天线，所述切换单元用于选择性地通过所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离的设置使所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述介质基板用于印制所述接地层，所述介质基板还用于印制或安装所述天线、所述切换单元及所述连接线。

Description

一种天线装置、设备及信号发射装置
技术领域
本发明实施例涉及通信领域，尤其涉及一种天线装置及天线装置。
背景技术
近十几年来，随着无线局域网和移动通信的飞速发展，需要传输的数据量与日俱增。在有限的频谱资源内满足不断增长的用户数、更高的传输速率和保证更高的通信质量是一个重要而紧迫的课题。上世纪90年代中后期，贝尔实验室率先将多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统的概念应用到移动通信系统中，并从理论和实验上证明了MIM0能够大大提高移动通信系统的容量和质量，引起了学者的极大关注。MIMO技术在短暂的几年内得到了迅速的发展，现已成为了新一代移动通信系统(3G、LTE)、新一代无线局域网802.11n(Wi-Fi)及802.16无线城域网WiMax的核心技术。
MIMO系统在发射端和接收端都放置了多根天线，合理利用分集技术以及复用技术，在提高无线通信系统容量的同时也降低了系统的误码率。特别是在拥有丰富的多径分量环境下，MIMO系统展示出了在增加系统容量方面的巨大的潜能。MIMO系统同时利用波束赋形(Beamforming)技术，集中能量于某个(或某些)特定方向上，使主波瓣指向信号方向，同时对干扰信号进行零陷，从而实现更大的覆盖并且对干扰信号起到抑制作用。
MIMO系统中，由于在接收端和发送端都要使用多天线，因此，MIMO系统中天线的设计是整个系统设计的一大重点与难点。为了构建出高效的MIMO系统，通常在系统的发射端采用天线阵的设计方式，同时采用波束赋形技术，进而形成适用于MIMO系统的智能天线阵列。这种智能天线阵列相比于传统的全向天线阵，能够使MIMO系统获得更高的容量，更低的误码率以及更广阔的覆盖和更强的干扰抑制性能。
现有的智能天线装置包含智能天线阵列和波束切换网络，天线阵与波束切换网络通常印制在一块介质基板上，以方便安装及节约成本。现有的智能天线设计主要考虑的因素有如何使智能天线阵覆盖到整个空间；如何增强在用户方向上的信号，且同时抑制干扰信号。其中，为了抑制干扰信号，通常将天线的方向图做成单边波束；为获得具有定向特性的天线方向图，给天线添加了一个反射器。然而，由于波束切换网络与天线之间需保持一定的距离，使反射器的添加将进一步增大系统尺寸。天线装置的尺寸和自身的性能是相互矛盾，难以在不增加天线装置尺寸的同时提高天线装置的性能。
发明内容
本发明实施例提供了一种天线装置和包含天线装置，以在不增加天线装置的尺寸的同时提高自身的性能。
本发明实施例提供了一种天线装置，所述天线装置包括若干天线、切换单元、接地层、连接线以及介质基板；所述天线用于发射和接收电磁波；所述连接线用于连接所述切换单元和所述天线，所述切换单元用于选择性地通过所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离的设置使所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述介质基板用于印制所述接地层，所述介质基板还用于印制或安装所述天线、所述切换单元及所述连接线。
本发明实施例提供了一种天线设备，所述设备包括：若干天线、接地层、连接线以及介质基板；所述天线用于发射和接收电磁波；所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离的设置使所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述介质基板用于印制所述接地层，所述介质基板还用于印制或安装所述天线及所述连接线。
本发明实施例通过设计接地层，使所述接地层约束所述天线发射电磁波的发射方向，解决了增强天线在某个方向上的辐射能量，同时缩小整个天线阵列的体积的问题。本发明实施例在有限的空间内实现了一个性能较优的智能天线装置。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明天线装置一个实施例的结构示意图；
图2为本发明天线装置又一个实施例的结构示意图；
图3为本发明天线装置又一个实施例的结构示意图；
图4为本发明实施例不同形状的天线示意图；
图5为本发明天线装置再一个实施例的结构示意图；
图6为本发明天线设备一个实施例的结构示意图；
图7为本发明信号发射装置一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种天线装置，如图1所示，图1提供了本发明天线装置一个实施例的结构示意图。所述系统包括：若干天线101、切换单元103、接地层107、连接线109、介质基板105；所述天线用于发射和接收电磁波；接地层107连接线109所述连接线用于连接所述切换单元和所述天线，所述切换单元用于选择性地通过所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离的设置使所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述介质基板用于印制所述接地层，所述介质基板还用于印制或安装所述天线、所述切换单元及所述连接线。所述零电位是装置电路的零电位。
在本发明的一个实施例中，所述切换单元103、接地层107、连接线109、介质基板105组成波束切换网络。
在本发明的一个实施例中，所述若干天线101包括至少两根所述天线。
所述切换单元103用于把信号切换和馈送到所述天线，选择性的把射频信号耦合到一个或多个天线单元。
在本发明的另一个实施例中，所述切换单元103还用于使馈送到若干所述天线上的射频信号产生相位差。
在本发明的一个实施例中，所述切换单元使用PIN二极管、单刀单掷射频开关，或者单刀多掷射频开关，或者开关矩阵，或者其各种组合搭建。在一个使用PIN二极管搭建切换单元的实施例中，并行的控制信号分别通过三个PIN二极管与所述接地层连接。如果控制信号给PIN二极管1的正极引脚高电平，而给PIN二极管2的正极引脚、PIN二极管3的正极引脚低电平，同时PIN二极管1、2、3的负极均为低电平，则二极管PIN二极管1处于导通状态，而PIN二极管2、PIN二极管3处于截止状态，信号可以经过PIN二极管1到达相应的所述天线1，通过天线发射出去。当控制信号变为给PIN二极管2的正极引脚高电平，而给PIN二极管1、PIN二极管3的正极引脚低电平时，二极管PIN二极管2处于导通状态，而PIN二极管1和PIN二极管3处于截止状态，这样信号就会通过PIN二极管2达到相应的所述天线2，通过天线发射出去，达到波束切换的目的。波束切换的实现方式不限于这一种，这里不一一列出。
在本发明的另一个实施例中，所述切换单元使用单刀单掷射频开关，或者单刀多掷射频开关，或者开关矩阵，或者其各种组合搭建。
所述接地层107用于约束所述天线发射电磁波的发射方向。在本发明的另一个实施例中，所述接地层还可以用于约束所述天线的带宽。所述接地层用于在所述天线发送的电磁波抵达金属反射器时，反相折射所述天线发送的电磁波，以加强所述天线朝一个方向的辐射效果，同时减小所述天线朝另一个方向的辐射效果。所述连接线109是双线传输结构，如微带线、平行带线等结构。所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的指标设置。在本发明的另一个实施例中，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的方向图、或所述天线的工作带宽设置。
在本发明的再一个实施例中，所述接地层的形状是N边形，所述N边形边长的取值、各边到所述天线馈电点的距离根据所述天线的方向图、或所述天线的工作带宽设置，所述N是大于2的自然数。
在本发明的另一个实施例中，如图2所示，图2提供了本发明天线装置又一个实施例的结构示意图。所述天线装置包括若干天线101、切换单元103、接地层107、连接线109、介质基板105。所述若干天线101包括，三个所述天线；所述接地层107的形状是等边三角形，所述等边三角形边长、所述天线和所述接地层的距离根据所述天线的指标设置。所述天线指标至少包括：所述天线的方向图、或所述天线的工作带宽。通过调整所述天线与接地层之间的距离和所述等边三角形的边长可以使所述接地层作为三组天线的反射器，以使三组天线产生相同的单边波束。在本发明的一个实施例中，所述天线和所述接地层之间的距离在天线的工作波长的1/4波长左右，和1/4波长的偏差根据具体情况而定，影响因素包括天线形式、阵列结构等。所述天线分布在接地层周围。所述接地层面积大于所述切换单元的横截面积。
所述天线装置包括一层介质基板所述切换单元和所述接地层分别印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧和纸面朝外侧。
在本发明的一个实施例中，所述天线是偶极子天线，所述天线的两臂分别印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧和纸面朝外侧，印制或安装所述介质基板的纸面朝里侧的所述天线的一臂通过印制或安装所述介质基板的纸面朝里侧的所述双线传输结构的馈线和印制或安装纸面朝里侧的所述接地层或所述切换单元和所述接地层连接，印制或安装所述介质基板的纸面朝外侧的所述天线的一臂通过印制或安装所述介质基板的纸面朝外侧的所述双线传输结构的馈线和印制或安装纸面朝外侧的所述接地层或所述切换单元连接。
在本发明的一个实施例中，所述天线是偶极子天线，所述天线的两臂都印制或安装所述介质基板的纸面朝里侧或纸面朝外侧，所述天线的两臂通过同轴线和所述切换单元和所述接地层连接。所述天线的两臂通过同轴线的内芯和屏蔽层分别和所述切换单元和所述接地层连接。所述同轴线的内芯与天线一臂连接，同轴线的屏蔽层与天线的另一臂连接，所述同轴线另一端的内芯与所述切换单元连接，屏蔽层与所述接地层连接。
在现有的MIMO系统智能天线阵列的设计中，由于受到接收机或发射机尺寸及结构的限制，往往要在有限的空间尽可能多地布置天线单元，而现有的天线单元和天线阵列设计占用空间偏大。由于本发明实施例的这三组天线所形成的方向图相互之间有一个角度偏移，因此可以在覆盖整个空间的情况下实现天线之间的角度分集。由于天线并没有使用独立的反射器结构，本发明实施例可以在最大程度上减小天线阵以及整个系统的尺寸，有利于系统的小型化。
在本发明的另一个实施例中，所述天线装置包括多层介质基板，所述天线的两臂可分别印制或安装在不同的介质基板上，所述切换单元和所述接地层分别印制或安装在不同的介质基板上。
在本发明的另一个实施例中，如图3所示，图3为本发明天线装置再一个实施例的结构示意图。所述天线装置包括若干天线101、切换单元103、接地层107、连接线109、介质基板105。所述若干天线101包括，四个所述天线；所述接地层107的形状是矩形，所述矩形边长、所述天线和所述接地层的距离受到所述天线指标的影响。所述天线的指标至少包括：所述天线的方向图、或所述天线的工作带宽。通过调整所述天线与接地层之间的距离和所述矩形的边长可以使所述接地层作为四组天线的反射器，以使四组天线产生相同的单边波束。所述天线分布在接地层周围。所述接地层面积大于所述切换单元的横截面积。
在本发明的具体实施例中，所述天线101是偶极子天线，所述天线包括两个臂，形状是两个等长的矩形、两个形状相同的扇形、两个形状相同的梯形、两个形状相同的折叠形。如图4所示，图4提供了本发明实施例不同形状的天线示意图。其中，图(4a)是本发明实施例扇形形状的天线示意图，图(4b)是本发明实施例梯形形状的天线示意图，图(4c)是本发明实施例折叠形形状的天线示意图。
在本发明的另一个实施例中，所述天线是八木天线。如图5所示，图5提供了本发明天线装置另一个实施例的示意图。所述系统包括：若干天线501，切换单元509、接地层、连接线505、介质基板507；所述天线用于发射和接收电磁波；所述切换单元用于选择性地通过所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述连接线用于把信号通过所述切换单元馈送到所述天线。所述连接线是同轴线。
所述八木天线印制或安装所述介质基板的纸面朝里侧或纸面朝外侧，所述天线通过同轴线和切换单元连接。
所述连接线109可以是任意形状的连接线。
在本发明的具体实施例中，所述介质基板105所用的材质是常见的FR4板材，或Rogers系列的板材等。其中，FR4板材是一种材料规格(相对介电常数(50Hz)：≤5.5，相对介电常数(1MHz)：≤5.5，介质损耗因数(50Hz)：≤0.04，介质损耗因数(1MHz)：≤0.04，相对介电常数是表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数，介质损耗因数是表征介质损耗的数据)。而Roger s是国外的一个公司，因为其生产的许多印制介质基板(PCB)材料十分好，所以业界比较知名。Rogers生产的板材种类十分多，特别是其高频材料特性十分好。由于将偶极子臂由矩形变更为扇形和梯形这种更加利于天线辐射电磁波的形状，扇形和梯形的天线可以在一定程度上加宽天线的频带响应。折叠形状的所述天线可以缩短天线的轴向长度，减小电路接地层的尺寸，以进一步缩小整个个系统的尺寸。
本发明实施例提供了一种天线设备，如图6所示，图6提供了本发明天线设备一个实施例的示意图。所述装置包括：若干天线601、接地层603、连接线605以及介质基板607；所述天线用于发射和接收电磁波；所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离的设置使所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述介质基板用于印制所述接地层，所述介质基板还用于印制或安装所述天线及所述连接线。
在本发明的一个实施例中，所述若干天线包含至少两根天线。
在本发明的一个实施例中，所述接地层还可以用于约束所述天线的带宽。
在本发明的一个实施例中，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的指标设置。
在本发明的一个实施例中，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的方向图、或所述天线的工作带宽设置。所述接地层的形状包括多边形、不规则形状。
本发明实施例提供了一种包含天线装置的信号发射装置，如图7所示，图7提供了本发明实施例的结构图。所述信号发射装置包括：上述任一实施例的天线装置703、信号产生装置701，所述信号产生装置用于产生信号给所述天线装置。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：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 (17)

1.一种天线装置，其特征在于，所述天线装置包括若干天线、切换单元、接地层、连接线以及介质基板；所述天线用于发射和接收电磁波；所述连接线用于连接所述切换单元和所述天线，所述切换单元用于选择性地通过所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离的设置使所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述介质基板用于印制所述接地层，所述介质基板还用于印制或安装所述天线、所述切换单元及所述连接线。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述接地层还可以用于约束所述天线的带宽。
3.根据权利要求1至2任一项所述的天线装置，其特征在于，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的指标设置。
4.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的方向图、或所述天线的工作带宽设置。
5.根据权利要求1至4任一项所述的天线装置，其特征在于，所述接地层的形状是N边形，所述N边形边长的取值、各边到所述天线馈电点的距离根据所述天线的方向图、或所述天线的工作带宽设置，所述N是大于2的自然数。
6.根据权利要求1至5任一项所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置包括一层介质基板，所述切换单元和所述接地层分别印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧和纸面朝外侧。
7.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于，所述天线是偶极子天线，所述天线的两臂分别印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧和纸面朝外侧，印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧的所述天线的一臂通过印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧的所述双线传输线的一部分和印制或安装在纸面朝里侧的所述接地层或所述切换单元连接，印制或安装在所述介质基板的纸面朝外侧的所述天线的一臂通过印制或安装在所述介质基板的纸面朝外侧的所述双线传输线的一部分和印制或安装在纸面朝外侧的所述接地层或所述切换单元连接。
8.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于，所述天线是偶极子天线，所述天线的两臂都印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧或纸面朝外侧，所述天线的两臂通过同轴线和所述切换单元及所述接地层连接。
9.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于，所述天线是八木天线，所述天线印制或安装在所述介质基板的纸面朝里侧或纸面朝外侧，所述天线通过同轴线和所述切换单元及所述接地层连接。
10.根据权利要求1至4任一项所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置包括多层介质基板，所述天线的两臂可分别印制或安装在不同的介质基板上，所述切换单元和所述接地层分别印制或安装在不同的介质基板上。
11.根据权利要求1至10任一项所述的天线装置，其特征在于，所述切换单元使用PIN二极管、单刀单掷射频开关，单刀多掷射频开关，开关矩阵，或者其各种组合搭建。
12.根据权利要求1至10任一项所述的天线装置，其特征在于，所述切换单元还用于使馈送到若干所述天线上的射频信号产生相位差。
13.一种天线设备，其特征在于，所述设备包括：若干天线、接地层、连接线以及介质基板；所述天线用于发射和接收电磁波；所述连接线把信号馈送到所述天线，所述接地层用于作为零电位的参考，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离的设置使所述接地层还用于约束所述天线发射电磁波的发射方向；所述介质基板用于印制所述接地层，所述介质基板还用于印制或安装所述天线及所述连接线。
14.根据权利要求13所述的天线设备，其特征在于，所述接地层还可以用于约束所述天线的带宽。
15.根据权利要求13或14所述的天线设备，其特征在于，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的指标设置。
16.根据权利要求15所述的天线设备，其特征在于，所述接地层形状或尺寸、所述接地层到所述天线的距离根据所述天线的方向图或所述天线的工作带宽设置。
17.一种包含天线装置的信号发射装置，所述信号发射装置包括：如权利要求1至16任一项所述的天线装置、信号产生装置，所述信号产生装置用于产生信号给所述天线装置。
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