具有相同主波束辐射特性的双极化天线系统

摘要

本发明公开了一种天线系统，其包括：基板以及排布成预定几何图案并连接于所述基板上的多个天线单元，每个天线单元包括水平极化天线和垂直极化天线；其中根据指示与采用该天线系统的设备通讯的通讯设备的天线类型的信号，激励所述天线单元中的水平极化天线或垂直极化天线，以所述通讯设备提供更好的无线链路。

说明书

技术领域

本发明涉及天线领域，更为特别的是涉及一种天线阵列，其受电子控制以 形成所需要的天线方向图，其中两个独立的极化天线元件可以通过电气控制来 形成相同的主波束辐射特性。

背景技术

天线系统是通信系统组成中必不可少的。在现有的无线通信中，单天线分 别用于发射源和接收端。在物理中，天线是提供电能与射频电磁波互相转换的 电气装置，其通常用于无线发射机或接收机中。在发射时，无线发射机发送一 个振荡的射频电流给天线，天线将其转换为电磁波辐射出去；在接收时，天线 截获一部分电磁波的能量以产生一个微小的电压，并将该电压输送到接收机中 放大。

天线是所有使用无线电的设备中必不可少的组成部分。它被广泛应用于诸 如广播、电视、双向通信、雷达、手机以及卫星通信等系统。它也被广泛应用 在如车库门禁、无线话筒、蓝牙设备、无线网卡、婴儿监视器、商品射频识别 标签等装置。通常情况下，天线是金属导体排布而成，并与发射机或接收机电 性相连接（一般通过一个传输线）。振荡的电流通过发射机传送到天线时在所述 天线导体周围产生振荡的磁场，同时电流本身在所述天线导体周围产生振荡的 电场。以适当的比例创建这些随时间变化的场，像移动的横向电磁波那样通过 天线向空间辐射。相反的，在接收过程中，无线电波在天线导体中产生振荡的 电场与磁场，从而产生振荡的电流。

众所周知，天线系统中的辐射射频能量有其非常独特的极化特性，这取决 于天线的几何形状和方向性。通常，极化方式可以是线性极化或椭圆极化。更 具体地说，线性极化又包含垂直极化和水平极化，椭圆极化包含特殊的圆极化。 无论如何，最基本的极化方式是垂直和水平极化。所有其他的极化方式都是由 上述两种简单的极化方式线性组合形成。对于任何发射或接收模式的射频传输， 如果发射天线与接收天线极化失配，射频能量将会损失，通信质量就会变差。

在Wi-Fi领域中，客户端的天线系统一般比较简单，只能响应线性极化的射 频信号，而且一般客户端(例如一台通信设备）的天线线极化方向经常是不可预 测的。因此，Wi-Fi服务提供者最好能同时为每个独立的信道提供水平极化和垂 直极化的射频链路，以与客户端建立良好的射频连接。在操作中，若是水平极 化和垂直极化的主波束辐射特性基本一致，就能更符合客户端的需求。尽管设 计出同时提供水平极化和垂直极化的射频链路的天线系统不是很难，但是想让 两种极化的主波束辐射特性基本一致却不那么容易。

因此有必要提出一种改进的天线系统，其能够同时提供具有主波束辐射特 性的水平极化和垂直极化的射频链路。

发明内容

这部分目的在于总结本发明的某些方面，并简要介绍一些优选的实施例。 在本节中以及摘要中出现的一些简化、省略的部分为了突出本节以及摘要的目 的，这样的简化和省略并不是在限定本发明的范围。

本发明的目的在于提供一种天线系统，其能够同时提供具有主波束辐射特 性的水平极化和垂直极化的射频链路。

根据本发明的一个方面，所述天线系统包括一组天线单元，每个天线单元 包括两个正交放置的天线。这些天线单元按照预先定义的几何方式排布来形成 一种具有两个独立极化且主波束辐射特性类似的天线。

根据本发明的另一个方面，天线单元中的天线根据预先定义的几何设计用 金属条（例如铜）蚀刻在两个印刷电路板(PCB)上。根据需要，金属条可能出现 在每个PCB的一侧或两侧。当金属条或整个天线覆在PCB的两侧时，乃是通过 金属化过孔连接来连接。

根据本发明的另一个方面，除了天线上的金属条，PCB还用于支持其他控 制天线的电路或用来进行阻抗匹配。根据本发明的又一个方面，可以根据天线 系统和其他的移动设备（例如一个无线路由器和一个移动设备）之间的无线电 信号来有选择的激励天线阵列中的天线单元来形成所需要的辐射方向图，以便 两个设备间形成无缝通信或是满足服务质量QoS等级的通信。

根据不同的用途，本发明可以应用于一种解决方案、一种装置或一个系统 的一部分。根据一个实施例，本发明是一种一种天线系统，其特征在于，其包 括：基板；以及连接于所述基板的多个天线单元，每个天线单元包括第一印刷 电路板与第二印刷电路板，其中每个天线单元的第一印刷电路板和第二印刷电 路板正交放置，每个印刷电路板包括蚀刻于其上的预定形状的金属条。进一步 的，所有天线单元的第一印刷电路板都是平行的，所有天线单元的第二印刷电 路板都是平行的。在工作时，天线单元彼此独立，并提供拥有相同主波束辐射 特性的水平、垂直极化的射频链路。

根据另一个实施例，本发明是一种天线系统，其特征在于，其包括：基板； 以及排布成预定几何图案并连接于所述基板上的多个天线单元，每个天线单元 包括水平极化天线和垂直极化天线；其中根据指示与采用该天线系统的设备通 讯的通讯设备的天线类型的信号，激励所述天线单元中的水平极化天线或垂直 极化天线，以所述通讯设备提供更好的无线链路。

与现有技术相比，本发明中的天线系统包括有水平极化天线和垂直极化天 线，其能够同时提供具有主波束辐射特性的水平极化和垂直极化的射频链路， 本发明的其中一个目的、特征与优点是提供一种体积小、工作频段宽、天线方 向图优异、成本低且制造工艺简单的天线阵列或天线系统。另一目的、特征与 优点与前述一起将在下面的描述和附图所示的实施例中说明。

附图说明

以下附图和描述有助于更深刻的理解本发明的特征、优点。

图1A所示为具有蚀刻于印刷电路板上的金属导体（例如铜）的天线元件的 立体图。

图1B所示为对应的垂直安装的天线元件的立体图。

图1C和图1D分别显示了图1A、图1B的天线元件的水平面天线方向图。

图1E示出了射频能量通过印刷电路板的连接能够到达倒“J”形天线振子。

图2A所示为本发明的一个实施例中使用的由图1A和图1B所示的基本天 线元件构成天线单元，其可以用来提供具有大致相似的主波束辐射特性的垂直 极化和水平极化的RF链路。

图2B所示为两个天线单元垂直排列或一个在另一个上以相同间距垂直排 列。

图2C所示为两个天线单元水平排列或依次相邻水平排列。

图2D、图2E、图2F、图2G、图2H分别显示使用更多的这样的天线单元 的一些典型结构。

图2I为图2B中的天线单元的垂直极化天线的水平面天线方向图；

图2J为图2B中的天线单元的垂直极化天线的垂直面天线方向图；

图2K为图2B中的天线单元的水平极化天线的水平面天线方向图；

图2L为图2B中的天线单元的水平极化天线的垂直面天线方向图；

图2M为图2C中的天线单元的垂直极化天线的水平面天线方向图；

图2N为图2C中的天线单元的垂直极化天线的垂直面天线方向图；

图2O为图2C中的天线单元的水平极化天线的水平面天线方向图；

图2P为图2C中的天线单元的水平极化天线的垂直面天线方向图；

图3所示为根据本发明的一个实施例的天线系统的系统框图。

具体实施方式

本发明的详细描述包含了过程、步骤、逻辑运算、处理以及其他使用符号 直接或间接的表明通信装置与馈电网络的耦合等类似的操作。这些过程的描述 通常被熟悉本领域的技术人员用来与其他同领域的技术人员作有效的沟通。

以下描述中用到的“一个具体实施例”或“具体实施例”是指结合该具体 实施例中所描述的特定特征、结构或特性，并至少包含在本发明内的一个具体 实施例。出现的“在一个具体实施例中”并不一定是指在同一个具体实施例， 这些具体实施例也不存在相互排斥或相互替换。此外，本实施例中流程框图做 提到的具体实施例的顺序并不表示任何特定的顺序，也未做限制。

无线通讯的服务提供者一直在寻找一种能够提供高增益并且体积小的天线 系统。另外，理想状况下是部署一套能够提供最佳无线功率以覆盖已知方位跨 度的天线系统。本发明的一个实施例提供了一种天线阵列的设计，其水平极化 和垂直极化射频(RF)链路上具有基本相同的主波束辐射特性。

参照附图说明，其中相同的数字标号在不同附图中指代相同的部分。在一 个具体实施例中，图1A所示为天线元件(element)100的立体图，其中其具有蚀 刻于印刷电路板(PCB)102上的金属导体（例如铜）。在图1A中可以清楚的看到 金属条在印刷电路板102的同一侧。根据不同实施方式，可以在印刷电路板102 的另一侧也蚀刻布置类似的金属条。图1A所示的天线元件100是水平安装的， 而图1B所示的天线单元104是垂直安装的。

在此具体实施例中，印刷电路板102是双面的，图1A中印刷电路板另一侧 的金属条（或称金属迹、金属导体）是看不到的，在图1B中可以看到。在一般 情况下，印刷电路板（例如102）两侧的金属条形状是不相同的。所述印刷电路 板的一侧是天线元件，其金属条形状类似倒的字母“J”形，当有信号加载时其 会向外辐射。在所述印刷电路板的另一侧，所述金属条作为馈线和阻抗匹配线， 因而不会辐射电磁波，所以本文中印刷电路板102、106被定义为天线元件。

所述印刷电路板102垂直的安装在金属地平面110上。金属条的几何形状 和所述地平面110的大小经过特殊的设计来实现在水平面上的理想波束宽度。 如果所述天线元件的方位如图1A所示摆放，这个水平面也被称为E面。如果所 述天线元件的方位如图1B所示摆放，图1B中的天线元件经过设计来实现在水 平面上的理想波束宽度，而这个水平面被称为H面。图1C、1D分别显示了图 1A、1B天线元件的水平面辐射方向图。换句话说，图1A、1B所示的基本天线 元件在水平面上提供基本相似或相同的辐射特性。此外图1A、1B所示的基本天 线元件本质是一样的，它们被简单的安装在不同的方向，一个水平，一个垂直。 换句话说，这种基本天线单元在其E面和H面拥有基本相似或相同的主波束辐 射特性。

如图1A所示，印刷电路板102的一侧上的金属条107采用形如两个倒“J”。 图1B所示为印刷电路板106的另一侧上的金属条作为反馈系统和阻抗匹配电 路。印刷电路板106所示的反馈系统从一个倒“J”条的脚部延伸至另一个倒“J” 条的脚部，将射频信号连接至在所述印刷电路板106的另一侧的所述倒“J”条。 如图1E所示，射频能量通过金属化过孔到达所述倒“J”。

图2A所示为一个本发明的具体实施例的，利用图1A、1B所示的基本天线 元件构成的天线单元200，它提供能够同时提供具有主波束辐射特性的水平极化 和垂直极化的射频链路。如图2A所示，两个天线单元202和204是相互隔离的， 换句话说，两个天线单元独立工作，并能同时提供水平极化和垂直极化两个射 频链路，其中两个射频链路具有相同或相似的主波束辐射特性。

图2B所示为两个天线单元垂直排列或一个在另一个上以相同间距垂直排 列。图2C所示为两个天线单元水平排列或依次相邻水平排列。多个这样的天线 单元将会不同排布。图2D、2E、2F、2G、2H分别显示了使用多个天线单元组 阵的多重形式。本领域的技术人员还可以根据本发明的详细描述组成更多的排 布方式以形成不同的天线系统。

尽管如此，在所有可能的排布方式中，天线单元可以水平或垂直的交叉或 排列，来形成一个天线系统。根据一个具体实施例，所有的垂直排列的天线单 元排列在一起，作为一个大的天线单元，所有的水平排列的天线单元排列在一 起，作为另一个大的天线单元。任何时候，天线单元或者天线列，都是彼此独 立的，并能同时提供具有基本相同的主播波束辐射特性的水平极化和垂直极化 两种射频链路。

图2I至图2L分别显示了图2B所示天线单元的辐射方向图。图2M至图2P 分别显示了图2C所示天线单元的辐射方向图。从这些图中可以清楚的看出，水 平极化天线和垂直极化天线拥有基本相同的主波束辐射方向图。

图3所示为根据本发明的一个实施例的使用于一种装置（例如一个无线路 由器）的天线系统302的系统框图。天线系统302可以安装于同一个封装内。 如图3所示，该天线系统包括多个天线单元302-1，…，302-N，此处N为整数。 如上所述，根据预定几何方式将天线单元302-1，…，302-N排布安装在一基板 上。各个天线单元至少包括正交放置的两个天线(可以是上文中的天线元件)。在 本实施例中，一个是水平极化天线，一个是垂直极化天线。

在一个具体的实施例中，每个天线单元包括第一印刷电路板与第二印刷电 路板，其中每个天线单元的第一印刷电路板和第二印刷电路板正交放置，每个 印刷电路板包括蚀刻于其上的预定形状的金属条。排布所述天线单元以使得所 有天线单元的第一印刷电路板都是平行的，所有天线单元的第二印刷电路板都 是平行的。任意两个相邻的天线单元之间的间距是相同的。一个天线单元的第 一印刷电路板作为水平极化天线振子，该天线单元的第二印刷电路板作为垂直 极化天线振子。各个天线单元在功能上相互独立，能提供具有基本相同的主波 束辐射特性的水平极化和垂直极化射频链路。

当天线系统302与其他通信装置（例如笔记本电脑）通信时，其内的水平 极化和垂直极化天线同时工作，与通信装置304交换射频信号。当天线系统300 通过水平极化天线或者垂直极化天线接收射频信号时，可以检测所述通信装置 304的天线306的类型。除了避免混淆模糊本发明的重点，这里不提供如何从天 线中检测到信号强度等细节的方法。本领域的技术人员应当熟悉这些解决办法。

根据本发明的一个实施例，当检测到所述通信装置304配置的是一个水平 极化天线时，就没有必要让所述天线系统302中的垂直极化天线工作了。同样， 当检测到所述通信装置304配置的是一个垂直极化天线时，就没有必要让所述 天线系统302中的水平极化天线工作了。假设反馈信号308来自于检测信息（例 如通过信号检测或测量电路），其指出哪一种极化天线可以更好的维持配备有所 述天线系统302的设备与所述通讯装置304之间的无线链路。无论水平极化天 线还是垂直极化天线都是由射频310控制激励的。

根据本发明的另一个实施例，所述通信装置304的天线306可能不能完全 检测出到底是所述水平极化天线还是所述垂直极化天线更适用于它们间的通 信。基于根据天线系统302和所述通讯装置304之间的射频信号确定的静态或 动态比率配置，所述射频模块310可以配置为部分激励(energized)水平极化天线 而同时完全激励所述垂直极化天线。

虽然结合具体的实施例对本发明进行详细的描述，然而上述描述只是本发 明的示例而已，而不能被解释为对本发明的限制。本领域技术人员可以理解的 是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在 本发明的保护范围之内。因此，本发明的范围定义为其保护范围而不是以上实 施例的说明。