辐射方向图可重构的电控无源阵列辐射天线及其配置方法
【专利摘要】本发明辐射方向图可重构的电控无源阵列辐射天线及其配置方法涉及一种ESPAR天线，该天线包括接地面；驱动单元，位于所述接地面上且取向为从所述接地面向外；多个寄生单元，位于所述驱动单元的周围，所述寄生单元包括控制电路，用于控制所述寄生单元与所述接地面之间的电长度。本发明还提供了一种方法，用于对上述天线进行配置，该方法包括：对上述天线的所有可能的工作状态下的波束进行扫描；将扫描结果与预定的辐射性能标准进行比较，并选择出其中最能满足所述预定的辐射性能要求的扫描结果；根据所选择出的扫描结果对上述天线进行配置；以及检测上述天线的辐射性能，当所检测到的辐射性能低于所述预定的辐射性能标准时，重复上述操作。
【专利说明】辐射方向图可重构的电控无源阵列辐射天线及其配置方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及天线技术，特别的涉及一种辐射方向图可重构的电控无源阵列辐射器(Electrically Steerable Passive Array Radiator,以下称ESPAR)天线及其配置方法。
【背景技术】
[0002]可重构天线即一种或多种天线的电特性，包括辐射方向图、极化或工作频率，可以被重构或调整的天线。由于无线通讯要求设备的天线能适用于各种不同的环境，在很多情况下可以采用方向图可重构天线。ESPAR天线就是其中之一。图1(a)为一种传统的ESPAR天线100的立体图。除了驱动单元102和接地面106以外，该ESPAR天线100还包括数个围绕在驱动单元102周围的寄生单元104。图1(b)所示为传统ESPAR天线100中寄生单元104的典型控制电路。该控制电路通过采用可变电压源112在控制信号SI的控制下产生不同的直流电压，从而改变可变电容114的等效电容值，使得ESPAR天线100产生不同的辐射方向图。
[0003]传统ESPAR天线的问题在于要使用可变电压源以及可变电容改变寄生单元的电磁特性，因而传统ESPAR天线的结构复杂且成本也很高。
【发明内容】
[0004]鉴于上述问题的存在，需要发明一种结构简单并且造价相对低廉的ESPAR天线。
[0005]本发明一方面公开了一种天线，包括接地面；驱动单元，位于所述接地面上且取向为从所述接地面向外；寄生单元，位于所述驱动单元的周围，所述寄生单元包括控制电路，用于控制所述寄生单元与所述接地面之间的电长度。
[0006]特别的，所述控制电路包括第一开关，用于在第一信号的控制下使所述寄生单元通过第一电长度与所述接地面相连；第二开关，用于在第二信号的控制下使所述寄生单元通过第二电长度与所述接地面相连；其中，所述第一电长度不同于所述第二电长度。
[0007]特别的，所述寄生单元还包括金属棒，其取向为从所述接地面向外；所述控制电路还包括传输线，连接在所述金属棒和所述第二开关之间；所述第一开关位于所述金属棒与所述接地面之间；所述第一电长度为所述金属棒的长度；所述第二电长度为所述金属棒和所述传输线的长度。
[0008]特别的，所述传输线为嵌入在所述接地面并位于所述金属棒周围的共面波导或其他平面传输线。
[0009]特别的，所述寄生单元还包括位于所述传输线与所述接地面之间的隔离带，所述第一和第二开关位于所述隔离带之中。
[0010]特别的，所述隔离带是位于所述寄生单元周围的空隙或者由绝缘材料构成。
[0011 ] 特别的，其中当所述第一开关导通，所述第二开关断开时，所述寄生单元工作在引向器状态；当所述第一开关断开，所述第二开关导通时，所述寄生单元工作在反射器状态。
[0012]特别的，所述开关包括PIN开关二极管，MOSFET开关，微电子机械射频(MEMS RF)开关或其他射频开关。
[0013]特别的,所述天线进一步包括数个寄生单元,其中每个所述寄生单元都包括至少一个所述控制电路，用于控制相应的所述寄生单元与所述接地面之间的电长度。
[0014]特别的，所述接地面为圆形，所述数个寄生单元沿接地面的径向分布。
[0015]在本发明所述的实施例中，采用简单的数字电路控制信号就可以直接对所述ESPAR天线的辐射方向图进行调整。这种天线不仅结构简单，制造成本低，还具有更高的可靠性。
[0016]本发明另一方面公开了一种方法，用于对上述天线进行配置，该方法包括:对上述天线的所有可能的工作状态下的波束进行扫描；将扫描结果与预定的辐射性能标准进行比较，并选择出其中最能满足所述预定的辐射性能要求的扫描结果；根据所选择出的扫描结果对上述天线进行配置；以及检测上述天线的辐射性能，当所检测到的辐射性能低于所述预定的辐射性能标准时，重复上述操作。
[0017]特别的，对上述天线进行配置的操作包括，根据所选择出的扫描结果调整所述数个寄生单元的控制电路中的开关的导通或断开状态。
[0018]采用本发明所述的方法，用户可以根据不同的需要以及应用环境的变化，灵活的调整ESPAR天线的配置。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1 (a)是现有ESPAR天线的立体图；
[0020]图1 (b)是现有ESPAR天线中寄生单元的典型控制电路；
[0021]图2(a)是根据本发明的一个实施例所述的ESPAR天线的立体图；
[0022]图2 (b)是图2 (a)所示ESPAR天线的寄生单元的放大图；
[0023]图2(c)是图2(a)所示的ESPAR天线的寄生单元控制电路的电路图；
[0024]图2 (d)是图2 (a)所示的ESPAR天线的俯视图；
[0025]图3是根据本发明一个实施例所述的ESPAR天线的辐射方向图；以及
[0026]图4是根据本发明的一个实施例所述的对本发明ESPAR天线进行配置的方法的流程图；以及图5是根据本发明的一个实施例所述的ESPAR天线的寄生单元的示例性组合的列表。
【具体实施方式】
[0027]下面详细讨论本申请的实施例的制造和使用。但是，应当理解的是，本发明提供了许多可以在各种具体背景下实施的可行的创新性概念。所讨论的具体实施例仅是说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
[0028]图2(a)所示为根据本发明一个实施例所描述的ESPAR天线200的立体图。所述天线200包括驱动单元202和接地面206。接地面可以是圆形的，并且在该圆形接地面206的周围可以具有导电的套筒208。在驱动单元202的周围分布着一个或多个寄生单元204。所述多个寄生单元204的结构可以是相同的。
[0029]如图2(b)所示，每个寄生单元204包括金属杆212以及控制电路。所述控制电路包括传输线214，开关216和218，以及传输线214和接地面206之间的隔离带217。在本发明的一个实施例中，传输线214嵌入在接地面206中，并且沿接地面206的径向分布。传输线214可以由共面波导、微带线或其他平面传输线构成。隔离带217可以是围绕传输线214的缝隙，或者由任何本领域技术人员熟知的绝缘材料构成。
[0030]根据本发明的一个实施例，开关216和218可以是如图所示的PIN开关二极管。在其他实施例中，开关216和218还可以是微电子机械射频(MEMS RF)开关或MOS晶体管或其他的射频开关器件。
[0031]图2(c)是寄生单元204控制电路的电路图。具体的，第一支路包括串联的电阻Rl和电感LI,可选的还包括与其串联的放大器211。电感LI的一端与金属棒212相连,并且与传输线214和开关216的一端相连。第二支路包括串联的电阻R2和电感L2，可选的还包括与其串联的放大器213。电感L2的一端与开关218的一端相连,并且通过电容C与传输线214的另一端相连。
[0032]在第一种情况下，输入信号Sa和Sb使开关216导通而使开关218断开。这样，金属棒212就可以通过开关216被直接连接到地电平。在这种情况下，根据本发明的一个实施例，寄生单元204与地电平之间的电长度(electrical length)是所述金属棒212的长度，且该长度略小于1/4波长，因此寄生单元204可以工作在引向器(director)模式。
[0033]在第二种情况下，输入另一组信号Sa和Sb，使开关216断开而使开关218导通。这样，金属棒212就可以通过传输线214和开关218被连接到地电平。电容C用于隔离直流控制信号Sa对开关218的影响，而电容C不会对流经金属棒212的交流信号产生影响。在这种情况下，根据本发明的一个实施例，寄生单元204与地电平之间的电长度是所述金属棒212的长度加上所述传输线214的长度，且该长度略大于1/4波长，因此寄生单元204可以作为工作在反射器(reflector)模式。
[0034]根据本发明的一个实施例，当开关216和218都被导通的时候，与上述第一种情况相同。
[0035]由此可见，通过开关216和218导通和断开状态的不同组合，可以赋予寄生单元204不同的电磁特性，从而对天线200的方向产生不同的影响。
[0036]应当注意的是，前文是以寄生单元204包含两个开关216和218为例进行的示范性说明，但是根据本发明的其他实施例，寄生单元可以包含更多的开关，从而通过控制寄生单元204与地电平之间的不同的电长度，例如寄生单元204可以通过传输线214的一部分与地电平相连，来控制寄生单元204的特性，从而调整天线200的辐射方向图。
[0037]图2 (d)是本发明一个实施例所描述的ESPAR天线200的俯视图。在该图所示的范例中，12个寄生单元204被分为6组，并且以60°角为间隔均匀的沿径向分布在接地面206上。其中每个寄生单元分别具有两个开关A和B。如上所述，对于每个寄生单元来说有三种有效的情况，那么对于图2(d)中所示的天线200来说，就应该存在312种不同的状态组合。图5仅仅列出了这些组合的一部分。
[0038]图3所示为与图5中列出的组合情况相对应的天线200的方向图。如图3(a)-(d)所示，在组合0-3的情况下，天线200可以形成具有不同的波束宽度和波束方向的单向波束。如图3(e)-(g)所示，在组合4-6的情况下，天线200的辐射方向图可以包括两束主波束，并且彼此之间的间隔角度不同。如图2(d)所示，寄生单元的分布是以60°角为单位旋转对称的，天线200的辐射分布图也存在着相应的对称关系。
[0039]图5中所列出的各个组合情况下天线200的驻波系数(Voltage Standing WaveRat1, VSWR)都低于5，甚至有些低于3。例如，在组合I的情况下天线200可以具有高达8.Sdb的增益。根据本发明的其他实施例，还可以在外部配置阻抗匹配网络，实现更好的匹配。
[0040]当然，图2(d)中的分布仅仅是作为范例在此说明，不同的ESPAR天线可以有不同的寄生单元的分布。
[0041]图4所示为本发明另一实施例描述的一种对本发明所介绍的ESPAR天线进行配置的方法的流程图。在步骤402，由基站对所述天线200各种可能工作状态下的波束进行扫描。这种扫描可以是对天线200所覆盖平面360°的波束的扫描。这些可能的工作状态是由寄生单元中开关的不同组合情况决定的。在步骤404，该基站接收扫描到的结果，并将该结果与预定的天线辐射特性标准进行比较。天线的辐射特性可以包括辐射方向图、极化、工作频率、功率或者信噪比等等。在步骤406，根据步骤404得出的比较结果找出满足预定辐射性能标准的一种或多种组合。在步骤408，依照所确定的一种或多种组合对所述天线进行配置。根据本发明的一个实施例，上述配置是通过调整所述天线200中的开关情况来实现的。在步骤410，对所述天线的辐射特性进行检测，如果所检测到得特性低于预定的水平，则返回到步骤402，重新开始扫描，否则天线200将保持在该配置状态。
[0042]本领域技术人员很容易就得知，可以在本发明的范围内改变材料和方法。还应该理解的是，除了用于说明实施例的具体语境之外，本发明提供了许多可应用的创新性概念。相应地，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质合成、装置、方法或者步骤包括在它们的范围内。
【权利要求】
1.一种天线，包括: 接地面； 驱动单元，位于所述接地面上且取向为从所述接地面向外； 寄生单元,位于所述驱动单元的周围，所述寄生单元包括控制电路,用于控制所述寄生单元与所述接地面之间的电长度。
2.如权利要求1所述的天线，其中所述控制电路包括: 第一开关，用于在第一信号的控制下使所述寄生单元通过第一电长度与所述接地面相连； 第二开关，用于在第二信号的控制下使所述寄生单元通过第二电长度与所述接地面相连； 其中，所述第一电长度不同于所述第二电长度。
3.如权利要求2所述的天线，其中所述寄生单元还包括金属棒，其取向为从所述接地面向外；所述控制电路还包括传输线，连接在所述金属棒和所述第二开关之间；所述第一开关位于所述金属棒 与所述接地面之间；所述第一电长度为所述金属棒的长度；所述第二电长度为所述金属棒和所述传输线的长度。
4.如权利要求3所述的天线，所述传输线为嵌入在所述接地面并位于所述金属棒周围的共面波导或其他平面传输线。
5.如权利要求4所述的天线，所述寄生单元还包括位于所述传输线与所述接地面之间的隔离带，所述第一和第二开关位于所述隔离带之中。
6.如权利要求5所述的天线，所述隔离带是位于所述寄生单元周围的空隙或者由绝缘材料构成。
7.如权利要求2所述的天线，其中当所述第一开关导通，所述第二开关断开时，所述寄生单元工作在引向器模式；当所述第一开关断开，所述第二开关导通时，所述寄生单元工作在反射器模式。
8.如权利要求2所述的天线，其中所述开关包括PIN开关二极管，MOSFET开关，微电子机械射频(MEMS RF)开关或其他射频开关。
9.如权利要求1-8中任一所述的天线，进一步包括数个寄生单元，其中每个所述寄生单元都包括至少一个所述控制电路，用于控制相应的所述寄生单元与所述接地面之间的电长度。
10.如权利要求9所述的天线，其中所述接地面为圆形，所述数个寄生单元沿接地面的径向分布。
11.一种方法，用于对权利要求9所述天线进行配置，该方法包括: 对所述天线的所有可能的工作状态下的波束进行扫描； 将扫描结果与预定的辐射性能标准进行比较，并选择出其中最能满足所述预定的辐射性能要求的扫描结果； 根据所选择出的扫描结果对所述天线进行配置；以及 检测所述天线的辐射性能，当所检测到的辐射性能低于所述预定的辐射性能标准时，重复上述操作。
12.如权利要求11所述的方法，其中对所述天线进行配置的操作包括，根据所选择出的扫描结果调整所述 数个寄生单元的控制电路中的开关的导通或断开状态。
【文档编号】H01Q3/00GK104051850SQ201310080677
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】廖绍伟, 倪威, 王伟, 沈钢 申请人:上海贝尔股份有限公司