CN116247446A - 一种方向图可重构的八木天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种方向图可重构的八木天线，应用于天线技术领域，用以解决现有技术中存在的具有方向图可重构功能的天线需要连接额外的控制引线进行控制的问题。具体包括：八木天线模块和无线通信模块；八木天线模块中每个无源振子包括第一无源子振子和第二无源子振子，第一无源子振子的第一端经调节模块与射频开关的第一端连接，第一无源子振子的第二端与射频开关的第二端连接；第二无源子振子与射频开关的第三端连接；射频开关用于控制无源振子中是否接入调节模块；无线通信模块用于通过无线通信获取重构控制信号，并根据重构控制信号控制射频开关。这样，通过无线通信实现方向图的重构，且无需设置额外的控制引线。

Description

一种方向图可重构的八木天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种方向图可重构的八木天线。

背景技术

可重构天线于20世纪60年代被提出，其在通信、导航和雷达等领域得到了广泛应用。方向图可重构天线具有低成本、尺寸小和易于与其他设备集成的特点，因而更适合应用于便携式终端设备。

目前，为了实现天线的方向图可重构功能，主要是通过设置开关PIN(Ptype-Intrinsic-N type)二极管对天线表面电流分布进行调控。然而，天线中PIN二极管的开通与关断需通过连接额外的接控制引线进行控制，不仅增加接线的复杂度，而且，对天线架设距离也有所限制，当天线架设距离比较远时，控制引线的成本也较高。

发明内容

本申请实施例提供了一种方向图可重构的八木天线，用以解决现有技术存在的具有方向图可重构功能的天线需要连接额外的控制引线进行控制的问题。

本申请实施例提供的技术方案如下：

本申请实施例提供了一种方向图可重构的八木天线，包括：八木天线模块和无线通信模块；

八木天线模块包括有源振子、两个无源振子、两个射频开关和两个调节模块；有源振子经馈电线与外部收发机连接；两个无源振子设置于有源振子的两侧；两个无源振子中每个无源振子包括第一无源子振子和第二无源子振子，第一无源子振子的第一端经调节模块与射频开关的第一端连接，第一无源子振子的第二端与射频开关的第二端连接；第二无源子振子的第一端与射频开关的第三端连接；射频开关用于控制第一无源子振子和第二无源子振子之间是否接入调节模块；

无线通信模块的第一端与两个射频开关中的第一射频开关的控制端连接，无线通信模块的第二端与两个射频开关中的第二射频开关的控制端连接；无线通信模块用于通过无线通信获取重构控制信号，并根据重构控制信号控制射频开关。

在一种可能的实施方式中，调节模块包括至少一个电容和/或至少一个电感；

至少一个电容中每个电容的第一端与第一无源子振子的第一端连接，至少一个电容中每个电容的第二端与射频开关连接；

至少一个电感中每个电感的第一端与第一无源子振子的第一端连接，至少一个电感中每个电感的第二端与射频开关连接。

在一种可能的实施方式中，有源振子包括第一有源子振子和第二有源子振子；

第一有源子振子与同轴馈电线的外层介质连接，第二有源子振子与同轴馈电线的内部铜芯连接。

在一种可能的实施方式中，两个无源振子呈中心对称设置于有源振子的两侧。

在一种可能的实施方式中，射频开关是单刀双掷射频开关。

在一种可能的实施方式中，无线通信模块包括蓝牙装置或ZigBee无线控制装置。

在一种可能的实施方式中，无线通信模块包括射频识别RFID天线和射频识别RFID芯片；

RFID芯片的第一端与第一射频开关的控制端连接，RFID芯片的第二端与第二射频开关的控制端连接；RFID芯片的第三端分别与第一射频开关的接地端和第二射频开关的接地端连接；RFID芯片的第四端和第五端与RFID天线连接。

在一种可能的实施方式中，RFID芯片为半有源标签芯片。

在一种可能的实施方式中，方向图可重构的八木天线还包括：电源；

电源与RFID芯片的第六端连接；电源用于为RFID芯片供电。

在一种可能的实施方式中，RFID天线为RFID偶极子天线或RFID折合偶极子天线。

本申请实施例的有益效果如下：

本申请实施例中，在每个无源振子中，设置第一无源子振子的第一端经调节模块与所述射频开关的第一端连接，设置第一无源子振子的第二端与所述射频开关的第二端连接；设置第二无源子振子的第一端与所述射频开关的第三端连接，即在每个无源振子中加入射频开关和调节模块，通过射频开关控制是否在第一无源子振子和第二无源子振子之间接入调节模块，以改变两个无源振子感应电流的相位和幅值，实现对八木天线的方向图的重构，而且，控制射频开关的信号的无线通信模块是通过无线通信的方式获取的，实现通过无线通信的方式调控八木天线的方向图，取代冗余的控制引线，有效降低接线的复杂度的同时，可以减少对天线架设距离的限制。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地可以从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例中方向图可重构的八木天线第一种结构示意图；

图2a为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中调节模块的第一种结构示意图；

图2b为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中调节模块的第二种结构示意图；

图2c为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中调节模块的第三种结构示意图；图3为本申请实施例中方向图可重构的八木天线第三种结构示意图；

图4为本申请实施例中方向图可重构的八木天线第四种结构示意图；

图5为本申请实施例中方向图可重构的八木天线第五种结构示意图；

图6为本申请实施例中方向图可重构的八木天线的尺寸结构图；

图7为本申请实施例中无源振子上射频开关的连接图；

图8为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中八木天线模块的回波损耗仿真结果；

图9为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中八木天线模块在xoy平面的x方向辐射方向图；

图10为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中八木天线模块在xoy平面的-x方向辐射方向图；

图11为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中RFID折合偶极子天线的回波损耗仿真结果；

图12为本申请实施例中方向图可重构的八木天线中RFID折合偶极子天线在xoy平面的辐射方向图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种方向图可重构的八木天线，参阅图1所示，本申请实施例提供的方向图可重构的八木天线100至少包括：八木天线模块110和无线通信模块120；

八木天线模块110包括有源振子130、两个无源振子140、两个射频开关150和两个调节模块160；有源振子130经馈电线与外部收发机连接；两个无源振子140设置于有源振子130的两侧；两个无源振子140中每个无源振子包括第一无源子振子141和第二无源子振子142，第一无源子振子141的第一端经调节模块与射频开关的第一端连接，第一无源子振子141的第二端与射频开关的第二端连接；第二无源子振子142的第一端与射频开关的第三端连接；射频开关用于控制第一无源子振子141和第二无源子振子142之间是否接入调节模块；

无线通信模块120的第一端与两个射频开关150中的第一射频开关151的控制端连接，无线通信模块120的第二端与两个射频开关150中的第二射频开关152的控制端连接；无线通信模块120用于通过无线通信获取重构控制信号，并根据重构控制信号控制射频开关。

实际应用中，八木天线模块110和无线通信模块120均可以设置于PCB板上，两个无源振子140包括第一无源振子143和第二无源振子144，两个调节模块160包括第一调节模块161和第二调节模块162。无线通信模块120可以通过无线通信接收外部设备发送重构控制信号，其中，重构控制信号中包括第一射频开关151的控制信号和第二射频开关152的控制信号，无线通信模块120根据第一射频开关151的控制信号对应控制第一射频开关151动作，根据第二射频开关152的控制信号对应控制第二射频开关152动作。射频开关在重构控制信号的作用下控制接通在第一无源子振子141和第二无源子振子142之间接入调节模块或将第一无源子振子141和第二无源子振子142短接。通过控制有源振子130两侧的无源振子中两个无源子振子之间接入调节模块或两个无源子振子直接连接，从而改变左右两侧无源振子感应电流的相位和幅值，达到使用无线的方式调控八木天线的方向图的目的。

具体的，方向图可重构的八木天线中的第一射频开关151和第二射频开关152对应以下两种工作模式：

第一种工作模式：第一射频开关151控制第一无源振子中的第一无源子振子141和第二无源子振子142之间接入第一调节模块161；第二射频开关152控制第二无源振子中的第一无源子振子141直接与第二无源子振子142连接。第一无源振子从有源振子130感应到的信号呈“感性”，电流滞后电压90°；有源振子130向第一无源振子方向辐射的电磁波经过四分之一波长的路程使电流滞后90°，恰好与第一无源振子感应的电流相位相差180°，于是辐射到第一无源振子方向的总电磁信号迭加，得到削弱；第二无源振子从有源振子130感应到的信号呈“容性”，电流超前电压90°，有源振子130辐射到第二无源振子的电磁波经过四分子一波长的路程，电流又滞后90°，于是有源振子130辐射到第二无源振子的电磁波与第二无源振子感应的电磁波相位刚差0°，起到了增强作用；于是整个天线的辐射效果呈现为向一个方向辐射增强，一个方向削弱，便有了强方向性。

第二种工作模式：第一射频开关151控制第一无源振子中的第一无源子振子141直接与第二无源子振子142连接；第二射频开关152控制第二无源振子中的第一无源子振子141和第二无源子振子142之间接入第二调节模块162。第一无源子振子141第二无源子振子142第一无源子振子141第二无源子振子142第二射频开关152第一无源子振子141第二无源子振子142第一无源子振子141第二无源子振子142第一无源振子从有源振子130感应到的信号呈“容性”，电流超前电压90°，有源振子130辐射到第一无源振子的电磁波经过四分子一波长的路程，电流又滞后90°，于是有源振子130辐射到第一无源振子的电磁波与第一无源振子感应的电磁波相位刚差0°，起到了增强作用；第二无源振子从有源振子130感应到的信号呈“感性”，电流滞后电压90°；有源振子130向第二无源振子方向辐射的电磁波经过四分之一波长的路程使电流滞后90°，恰好与第二无源振子感应的电流相位相差180°，于是辐射到第二无源振子方向的总电磁信号迭加，得到削弱。

这样，在每个无源振子中，设置第一无源子振子的第一端经调节模块与射频开关的第一端连接，设置第一无源子振子的第二端与射频开关的第二端连接；设置第二无源子振子的第一端与射频开关的第三端连接，即在每个无源振子中加入射频开关和调节模块，通过射频开关控制是否在第一无源子振子和第二无源子振子之间接入调节模块，以改变两个无源振子感应电流的相位和幅值，实现对八木天线的方向图的重构，而且，控制射频开关的信号的无线通信模块是通过无线通信的方式获取的，实现通过无线通信的方式调控八木天线的方向图，取代冗余的控制引线，有效降低接线的复杂度的同时，可以减少对天线架设距离的限制。

在一种可能的实施方式中，调节模块包括至少一个电容和/或至少一个电感；

至少一个电容中每个电容的第一端与第一无源子振子的第一端连接，至少一个电容中每个电容的第二端与射频开关连接；

至少一个电感中每个电感的第一端与第一无源子振子的第一端连接，至少一个电感中每个电感的第二端与射频开关连接。

实际应用中，调节模块中电感和/或电容主要是用于改变两个无源振子中感应电流的幅值和相位。调节模块中可以有多种结构实现其功能，如图2a所示，调节模块中可以设置一个或多个并联的电容，以使射频开关接入对应的电容；如图2b所示，调节模块中也可以设置一个或多个并联的电感，以使射频开关接入对应的电感；如图2c所示，调节模块中还可以同时设置并联的电容和电感，以使射频开关接入对应的电感或电容，其中，电容和电感的数量可以根据实际工况要求确定。调节模块中电容和/或电感的大小是根据实际工况要求结合仿真结果选取的。

在一种可能的实施方式中，参阅图3所示，有源振子130包括第一有源子振子131和第二有源子振子132；

第一有源子振子131与同轴馈电线133的外层介质连接，第二有源子振子132与同轴馈电线133的内部铜芯连接。

实际应用中，有源振子130中的第一有源子振子131和第二有源子振子132通过与同轴馈电线133连接至外部收发机，将接收的电磁波转换成电信号经同轴馈电线133传输至外部收发机，或接收外部收发机经同轴馈电线133传输的电信号转换为电磁波发射。

在一种可能的实施方式中，两个无源振子对称设置于有源振子的两侧。

实际应用中，两个无源振子与有源振子的距离相等，两个无源振子可以对称设置于有源振子的两侧，两个无源振子还可以以有源振子为中心对称点，呈中心对称设置于有源振子的两侧。

在一种可能的实施方式中，射频开关是单刀双掷射频开关。

实际应用中，射频开关的类型可以根据调节模块对应设置，若调节模块中仅仅包括一个电容或电感，射频开关可以是单刀双掷射频开关，具体的，可以采用使用MACOM公司的单刀双掷射频电子开关MASW-008322；若调节模块中包括多个电容和/或多个电感，射频开关可以是单刀多掷射频开关或其他具有选通功能的芯片，在此不做限制。

在一种可能的实施方式中，无线通信模块可以有多种结构实现其功能，具体的，无线通信模块的构成可以划分为但不限于以下三种情况：

第一种情况：无线通信模块包括蓝牙装置。蓝牙装置可以实现无线通信以获取重构控制信号，并根据重构控制信号控制射频开关。

第二种情况：无线通信模块包括ZigBee无线控制装置。ZigBee无线控制装置可以实现无线通信以获取重构控制信号，并根据重构控制信号控制射频开关。

第三种情况：参阅图4所示，无线通信模块120包括射频识别RFID天线121和射频识别RFID芯片122；

RFID芯片122的第一端与第一射频开关151的控制端连接，RFID芯片122的第二端与第二射频开关152的控制端连接；RFID芯片122的第三端分别与第一射频开关151的接地端和第二射频开关152的接地端连接；RFID芯片122的第四端和第五端与RFID天线121连接。

实际应用中，RFID(radio frequency identification，射频识别)天线121主要用于接收外部设备发送的天线控制信号；RFID芯片122主要用于根据天线控制信号确定重构控制信号，通过第一端控制第一射频开关151动作，通过第二端控制第二射频开关152动作，RFID芯片122与第一射频开关151的接地端和第二射频开关152的接地端连接，RFID芯片122为第一射频开关151和第二射频开关152提供连接的地。

具体实施时，RFID芯片122为半有源标签芯片，半有源标签芯片可以在连接电源的模式下工作，也可以工作在无源模式。例如RFID芯片EM4325可以工作于无源和电池辅助模式，两个模式下芯片的灵敏度不同，电池辅助模式下芯片EM4325的灵敏度约为-28dBm，无源模式下芯片EM4325的灵敏度为-8dBm。EM4325的4个通用I/O接口可以为射频开关进行供电的同时控制射频开关动作。

在一种可能的实施方式中，参阅图5所示，方向图可重构的八木天线还包括：电源170；

电源170与RFID芯片122的第六端连接；电源170用于为RFID芯片122供电。

实际应用中，由于RFID芯片122在不同的工作模式下的灵敏度不同，电池辅助模式的灵密度远远高于无源模式，灵敏度将很大程度上影响RFID芯片的通信距离，因此，可以设置电源170与RFID芯片122连接并为RFID芯片122供电，提升RFID芯片122的灵敏度，保证RFID芯片122通信可靠性的同时，在一定程度上增加RFID芯片通信距离。

在一种可能的实施方式中，RFID天线为RFID偶极子天线或RFID折合偶极子天线。

实际应用中，UHF(Ultra High Frequency，特高频)频段的RFID偶极子天线的天线尺寸较大，在不考虑天线所占用基板的面积的前提下，选择RFID偶极子天线作为RFID天线。而为进一步减小天线的尺寸，可以选择RFID折合偶极子天线作为RFID天线。

下面以由MASW-008322芯片作为射频开关、以EM4325芯片作为RFID芯片和RFID折合偶极子天线等构成的方向图可重构的八木天线为例，对本申请实施例提供的方向图可重构的八木天线作进一步详细说明，本申请实施例提供方向图可重构的八木天线的结构如图6所示，将方向图可重构的八木天线设置于PCB板上，方向图可重构的八木天线结构尺寸如表1所示。

表1方向图可重构的八木天线结构尺寸

在图6中，两个无源振子呈中心对称设置于有源振子的两侧，EM4325芯片的第一端与第一射频开关的控制端连接，EM4325芯片的第二端与第二射频开关的控制端连接；EM4325芯片的第三端分别与第一射频开关的接地端和第二射频开关的接地端连接。以两个无源振子中的一个无源振子为例，无源振子上射频开关的设置方式参阅图7所示，第一无源子振子的第一端经由电感构成的调节模块连接至MASW-008322芯片的RF1端口，第一无源子振子的第二端连接至MASW-008322芯片的RF2端口，第二无源子振子的第一端连接至MASW-008322芯片的RFC端口。这样，无源振子两侧的MASW-008322芯片在EM4325芯片的控制下，确定RFC端口与RF1端口和RF2端口的接通情况，从而改变左右两侧无源振子感应电流的相位和幅值，达到使用无线的方式调控方向图的目的。通过HFSS或者CST软件中进行场路联合仿真得到方向图可重构的八木天线中八木天线模块的回波损耗与辐射方向图如图8-图10所示。如图8所示，八木天线模块在频率约为2.405GHz时，回波损耗约为-35.5dB，符合天线的回波损耗要求，图9为方向图可重构的八木天线在xoy平面的x方向辐射方向图，对应于第一种工作模式，图10为本申请实施例中方向图可重构的八木天线在xoy平面的-x方向辐射方向图，对应于第二种工作模式，通过射频开关控制天线工作在两种不同的工作模式，实现对八木天线的方向图的重构。通过HFSS或者CST软件中进行场路联合仿真得到方向图可重构的八木天线中RFID折合偶极子天线的回波损耗与辐射方向图如图11-图12所示。RFID折合偶极子天线在频率为0.916GHz时，回波损耗约为-23.6659dB，符合天线的回波损耗要求；RFID折合偶极子天线的方向度约为1.5dBi。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元或子单元，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本申请的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。反之，上文描述的一个单元的特征和功能可以进一步划分为由多个单元来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例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 (10)

1.一种方向图可重构的八木天线，其特征在于，包括：八木天线模块和无线通信模块；

所述八木天线模块包括有源振子、两个无源振子、两个射频开关和两个调节模块；所述有源振子经馈电线与外部收发机连接；所述两个无源振子设置于所述有源振子的两侧；所述两个无源振子中每个无源振子包括第一无源子振子和第二无源子振子，所述第一无源子振子的第一端经调节模块与所述射频开关的第一端连接，所述第一无源子振子的第二端与所述射频开关的第二端连接；所述第二无源子振子的第一端与所述射频开关的第三端连接；所述射频开关用于控制第一无源子振子和第二无源子振子之间是否接入所述调节模块；

所述无线通信模块的第一端与所述两个射频开关中的第一射频开关的控制端连接，所述无线通信模块的第二端与所述两个射频开关中的第二射频开关的控制端连接；所述无线通信模块用于通过无线通信获取重构控制信号，并根据所述重构控制信号控制所述射频开关。

2.如权利要求1所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述调节模块包括至少一个电容和/或至少一个电感；

所述至少一个电容中每个电容的第一端与所述第一无源子振子的第一端连接，所述至少一个电容中每个电容的第二端与所述射频开关连接；

所述至少一个电感中每个电感的第一端与所述第一无源子振子的第一端连接，所述至少一个电感中每个电感的第二端与所述射频开关连接。

3.如权利要求1所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述有源振子包括第一有源子振子和第二有源子振子；

所述第一有源子振子与同轴馈电线的外层介质连接，所述第二有源子振子与同轴馈电线的内部铜芯连接。

4.如权利要求1所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述两个无源振子呈中心对称设置于有源振子的两侧。

5.如权利要求1所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述射频开关是单刀双掷射频开关。

6.如权利要求1-5任一项所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述无线通信模块包括蓝牙装置或ZigBee无线控制装置。

7.如权利要求1-5任一项所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述无线通信模块包括射频识别RFID天线和射频识别RFID芯片；

所述RFID芯片的第一端与所述第一射频开关的控制端连接，所述RFID芯片的第二端与所述第二射频开关的控制端连接；所述RFID芯片的第三端分别与第一射频开关的接地端和第二射频开关的接地端连接；所述RFID芯片的第四端和第五端分别与所述RFID天线连接。

8.如权利要求7所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述RFID芯片为半有源标签芯片。

9.如权利要求7所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，还包括：电源；

所述电源与所述RFID芯片的第六端连接；所述电源用于为所述RFID芯片供电。

10.如权利要求7所述的方向图可重构的八木天线，其特征在于，所述RFID天线为RFID偶极子天线或RFID折合偶极子天线。

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