可重构方向图的天线装置及智能通信终端的制作方法

本发明属于天线装置技术领域，具体地说，是涉及一种可以对天线的辐射方向图实现重构设计的天线装置。

背景技术：

随着智能通信终端及互联网的快速发展，无线通信技术已经成为人们通信的主要方式，不仅局限于手机等移动通信终端，物联网的兴起在方便数据交互的同时，使得人们的社会生活对无线数据通信产生越来越大的依赖。

物联网（The Internet of things）是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网就是物物相连的互联网，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网的基础上延伸和扩展的网络，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行着信息的交换和通信。

目前的物联网设备主要包括智能家电、智能数据通信终端、可穿戴类电子产品等。这些物联网设备大多工作在空旷的通信环境下，其无线传输路径相对较好，受电磁辐射和电磁屏蔽的影响极小，可以同时与其他的一个或多个设备（例如基站）进行信息交互。对于在空旷环境下使用的物联网设备，其内部的天线装置需要设计成全向天线形式，通过形成全向覆盖的信号场，以实现不同方向设备间的信息传递。

但是，对于某些智能通信终端来说，有时会应用在特殊的工作环境中，例如复杂的电磁辐射环境、狭隘的辐射空间及电磁屏蔽环境等。以智能水表、智能电表、无线路由器等通信终端为例进行说明，这类通信终端有的会安装在管道井、地下车库等信号场区较弱的环境中，需要与之通信的接收设备通常仅有一个，且一般位于某一特定的方向，例如管道井的井口处或者地下车库的入口处等。当这类通信终端处于这种狭窄且封闭的传输环境时，若将其天线装置设计成全向天线形式，在特定方向的天线增益会受限，继而影响到有效信号强度。因此，对于工作在特殊环境下的智能通信终端，有时需要将其天线装置设计成定向天线形式，且辐射方向指向接收设备所在的方位，通过增大天线装置在该特定方向上的辐射增益，以提高天线装置在该方向上的通信性能，继而实现其与接收设备之间良好的信息交互。

但是，这些智能通信终端在出厂时并不能确定其具体的应用环境，因此存在天线形式单一化与应用环境多样化不相适应的缺陷，在组网过程中必须根据实际应用环境对智能通信终端的天线装置进行定制，由此便导致了现有的智能通信终端兼容性差、应用领域不灵活等一系列问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可重构的天线装置，可以在V型定向天线与全向天线之间进行选择切换，以对天线装置的辐射形式实现可重构设计。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明在一个方面提出了一种可重构方向图的天线装置，包括V型天线、第一匹配电路和短接装置；其中，所述V型天线包括第一辐射分支和第二辐射分支；所述第一匹配电路连接V型天线的信号馈点，用于调节所述V型天线的谐振频率，所述谐振频率作为第一谐振频率，与V型天线在定向辐射时所需接收或发射的无线信号的频率一致；所述短接装置连接所述第二辐射分支，用于控制所述第二辐射分支选择性的连通参考地；当所述短接装置控制所述第二辐射分支连通参考地时，所述第一辐射分支形成单极全向天线，全向辐射。

本发明在另一个方面提出了一种智能通信终端，包括信号源和可重构方向图的天线装置；所述可重构方向图的天线装置包括V型天线、第一匹配电路和短接装置；其中，所述V型天线包括第一辐射分支和第二辐射分支；所述第一匹配电路连接在所述信号源与所述V型天线的信号馈点之间，用于调节所述V型天线的谐振频率，所述谐振频率作为第一谐振频率，与V型天线在定向辐射时所需接收或发射的无线信号的频率一致；所述短接装置连接所述第二辐射分支，用于控制所述第二辐射分支选择性的连通参考地；当所述短接装置控制所述第二辐射分支连通参考地时，所述第一辐射分支形成单极全向天线，全向辐射。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过在现有定向V型天线的基础上，增加可控制V型天线的其中一个辐射分支选择性接地的短接装置，从而可以使天线装置从原有的定向辐射转变为全向辐射，实现天线形式从定向天线到全向天线的重构，并实现了天线频段从单频向多频的可重构设计，使得天线装置可以根据其实际应用环境择优切换，由此实现了天线装置的兼容性设计。将本发明的天线装置应用在智能通信终端上，通过调整天线装置全向辐射，可以使得智能通信终端很好地适应空旷的通信环境；通过调整天线装置定向辐射，可以保证智能通信终端在弱场区或强干扰电磁环境下的天线性能，由此显著提升了智能通信终端对不同电磁传输环境的适应能力，扩展了其应用场合。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明所提出的可重构方向图的天线装置的一种实施例的电路原理图；

图2为本发明所提出的可重构方向图的天线装置的第二种实施例的电路原理图；

图3为本发明所提出的可重构方向图的天线装置工作在定向天线形式下的辐射方向图；

图4为本发明所提出的可重构方向图的天线装置工作在全向天线形式下的辐射方向图；

图5为本发明所提出的可重构方向图的天线装置工作在全向天线和定向天线时的极化对比图；

图6为本发明所提出的可重构方向图的天线装置工作在狭窄且封闭的传输环境下的信号传输路径图；

图7为本发明所提出的可重构方向图的天线装置工作在空旷传输环境下的信号传输路径图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本发明针对采用V型定向天线的智能通信终端，提出了两种可以对V型天线的辐射形式实现可重构设计的技术方案，通过设计天线形式在定向天线和全向天线之间择优切换，从而提高了天线装置的兼容性，使得配置有该类天线装置的智能通信终端能够更好地适应各种不同的电磁传输环境。

下面通过两个具体的实施例，对本发明所提出的天线装置可重构设计的具体实现方式进行详细阐述。

实施例一，如图1所示，本实施例的天线装置包括V型天线12、第一匹配电路11和短接装置13等主要组成部分。其中，V型天线12作为定向天线，可以在特定方向上形成定向辐射场，以提高天线装置在特定方向上的无线通信性能。本实施例的V型天线12优选外置于智能通信终端，以方便调节V型天线12的辐射方向。具体来讲，所述V型天线12包括两个辐射本体，分别定义为第一辐射分支121和第二辐射分支122。将所述第一辐射分支121和第二辐射分支122设置在智能通信终端的壳体的外部，首端A对接形成对接端123，末端B分开，形成V型。V型定向天线的最大极化方向即为两个辐射分支121、122的夹角方向。在本实施例中，所述第一辐射分支121和第二辐射分支122的对接端123所形成的夹角α优选设计成90°，以便于通过两个辐射分支形成的辐射场能够充分干涉，形成指向单一的定向辐射场。当然，所述第一辐射分支121和第二辐射分支122的对接端123所成的夹角α也可以设计成其他角度，只要能满足定向辐射要求即可，本实施例对此不进行具体限制。

在本实施例中，优选设计所述第一辐射分支121和第二辐射分支122的长度相等，且约等于λ，所述λ为V型天线12在定向辐射时所需接收或发射的无线信号的波长。优选的，所述第一辐射分支121和第二辐射分支122的长度最好在λ~1.25λ之间取值。

将所述第一辐射分支121和第二辐射分支122的对接端123通过天线分支125连接至V型天线12的信号馈点126，通过信号馈点126连接至智能通信终端内部的PCB基板，并与PCB基板上布设的第一匹配电路11连通，通过第一匹配电路11连通智能通信终端的信号源10，以实现射频信号的接收和/或发射。本实施例的信号源10是智能通信终端内部构成射频通道的各相关部件的统称，例如，包括晶振、主芯片、多工器、供放电路、滤波电路及其他相关射频器件等。

本实施例的第一匹配电路11可以设计成π型结构，如图1所示，具体可以由三个电容或者三个电感或者电容和电感的组合构成π型匹配网络。通过第一匹配电路11调谐V型天线12的匹配阻抗，以调节所述V型天线12的谐振频率（第一谐振频率）与其所要接收的无线信号的频率一致，继而实现对该频段无线信号的有效接收。

当然，所述第一匹配电路11也可以采用一个或多个电容或电感或电容和电感的组合构成L型或者其他形式的匹配网络，以实现对V型天线12的匹配阻抗的调谐。

当然，对于利用所述V型天线12本体即能满足谐振频率要求的天线装置来说，所述第一匹配电路11也可以采用零电阻（阻值为零欧姆的电阻元件或导线）设计而成，本实施例并不仅限于以上举例。

本实施例采用两个独立的天线辐射分支121、122设计V型天线12的辐射本体，由于两个辐射分支121、122在结构上可以形成两个独立工作的单极天线，且长度相等，因此，通过第一匹配电路11可以调谐两个辐射分支121、122分别工作在相同的谐振频段（即，第一谐振频率），以分别形成辐射场。由于第一辐射分支121和第二辐射分支122呈90°排布，因此，通过两个辐射分支121、122所形成的辐射场会发生相互干涉，使其整体辐射为具有最大辐射方向的定向形式。

在第一辐射分支121和第二辐射分支122的对接端123附近的位置可以进一步设置转动部，以使所述第一辐射分支121和第二辐射分支122能够绕所述转动部自由旋转，继而使V型天线12的最大极化方向可以根据使用场景指向信号接收终端，在弱场区或者强干扰的电磁环境下，通过提高所述V型天线12在某一特定方向的天线增益，以使V型天线12在该特定方向上具有更好的接收和发射性能。

在本实施例中，所述第一辐射分支121和第二辐射分支122可以采用细长线体制成，也可以设计成板状天线等结构形式。当采用板状天线设计所述V型天线12时，所述板状天线可以采用矩形金属制成，这种天线结构在净空相对较差的情况下也能具有较好的辐射效率。

为了实现天线装置的兼容性设计，本实施例在所述天线装置中还设置有短接装置，连接V型天线12的其中一个辐射分支，通过将其中一个辐射分支接地，即连通参考地，从而破坏该辐射分支的谐振，使原来的双辐射体定向天线形式转换成单辐射体全向天线形式。接地的一个辐射分支形成FIPA或LOOP全向天线，由于在天线长度不变的情况下，天线形式的变化会导致其谐振频率发生变化，由此导致FIPA或LOOP全向天线的谐振频率与原来的双辐射体定向天线所需的工作频段（即，第一谐振频率）不相干，从而避免了方向性干扰。

本实施例选择将第二辐射分支122与短接装置连接，通过控制第二辐射分支122选择性的连通参考地，以实现天线形式在定向天线与全向天线之间选择性地切换。

具体来讲，本实施例在所述短接装置中设置有一开关13，如图1所示。将所述开关13的开关通路连接在第二辐射分支122与参考地之间，具体可以将所述开关13的开关通路的一端连接至第二辐射分支122的连接点124，另一端与智能通信终端内部PCB基板上的参考地或者与其他金属参考地良好接通，通过控制所述开关13导通，以使第二辐射分支122的连接点124接地。由于第二辐射分支122的一端连通信号源10，连接点124连通参考地，因此可构成全向天线形式。具体来讲，若连接点124位于第二辐射分支122的末端B，则构成LOOP全向天线；若连接点124位于第二辐射分支122上除末端B以外的其他部位，则可构成FIPA全向天线。

当第二辐射分支122接地时，第一辐射分支121形成单极全向天线，以原有谐振频率（即，第一谐振频率）全向辐射。由此，便实现了天线形式从定向天线向全向天线的转换，使得天线装置可适应辐射场均匀的自由空间。

在本实施例中，所述开关13可以是有源开关，通过接收智能通信终端中控制器输出的控制信号，来改变其自身的通断状态。当然，所述开关13也可以是手动开关，根据智能通信终端所处的通信环境，手动控制所述开关13导通或者断开，以改变智能通信终端的天线形式，使其天线装置可以在定向天线与全向天线之间择优切换，继而使智能通信终端无论身处何种通信环境下，都能获得最佳的通信质量。

下面结合图3-图7，对本实施例的天线装置的工作原理进行具体说明。

如图6所示，当配置有本实施例的天线装置的智能通信终端60位于特殊的电磁环境下，例如地下管道、车库等狭窄且封闭的传输环境时，由于在这种相对封闭的电磁传输环境61中，与智能通信终端60所对应的接收设备62（例如基站）往往仅设置有一个，且通常位于特定的方向，例如位于管道的延伸路径中或者管道的进口或出口周围，因此，对天线装置在特定方向上的收发性能有着针对性且较高的要求。为了确保智能通信终端60能够与其所对应的接收设备62可靠通信，应将天线装置的辐射形式调整到指向接收设备62的定向辐射，通过增强天线装置在该特定方向上的辐射增益，以提高智能通信终端60在该特定方向上的通信性能。

具体来讲，当智能通信终端60位于如图6所示的相对封闭的电磁环境时，可以控制所述开关13断开，即，控制第二辐射分支122不短接到地。此时，智能通信终端60的天线形式为V型定向天线，通过V型天线12接收和发送无线信号。图3示出了V型天线12的辐射方向，通过V型天线12形成的磁场辐射方向为定向，由主波瓣31和副波瓣32、33组成。其中，主波瓣31为V型天线12的有效辐射波瓣，其指向即为V型天线12的辐射方向，V型天线12在该方向上的增益可远高于全向天线，结合图5所示。图5中阴影部分即为相比于全向天线，定向天线在某方向上的极化的增益。调整V型天线12的方向，使其形成的主波瓣31指向接收设备62所在的方向，通过增大V型天线12在该方向上的辐射增益，以确保智能通信终端60与所述接收设备62链接通信。

在本实施例中，对于在第一辐射分支121与第二辐射分支122的对接端附近设置有转动部的天线装置来说，可以在不改变智能通信终端60位置的前提下，通过转动V型天线12的朝向，以调节V型天线12的辐射方向指向接收设备62所在的方位。而对于V型天线12中未设置有转动部的天线装置来说，即V型天线12不能相对智能通信终端60本体转动的情况，此时，可以通过调整智能通信终端60的安装方向，使V型天线12辐射形成的主波瓣31指向接收设备62所在的方位，通过提高天线装置在该特定方向上的辐射增益，以改善智能通信终端60与所述接收设备62之间的无线通信性能。

如图7所示，当配置有本实施例的天线装置的智能通信终端70位于空旷的传输环境时，例如，位于户外、楼宇、家庭时，其信号的传输路径相对较好，允许智能通信终端70与一台或者多台设备（例如基站71、72、73、74）同时链接通信。在这种传输环境下，对天线的增益要求并不苛刻，但对天线传输的多向性有要求，需要天线全向辐射，以实现智能通信终端70与不同方位设备71-74的多链路通信要求。为此，应调整天线装置的天线形式为全向天线形式，以实现全向辐射。

具体来讲，当智能通信终端70位于如图7所示的空旷传输环境时，控制所述开关13闭合，使天线装置中的V型天线12的第二辐射分支122接地。此时，V型天线12中的第一辐射分支121形成单极全向天线，全向辐射。如图4所示，41、42为单极全向天线形成的辐射波瓣，其磁场辐射方向为全向，由此可以实现智能通信终端70与多台设备71-74之间的多路径同时链接。

图5为天线装置在定向和全向时的极化对比。从图5中可以清楚地看出：全向天线具有更好的方向性覆盖，而定向天线则在某一方向上具有更好的极化效果。通过设计天线装置可以在V型定向天线与单极全向天线之间进行选择切换，由此可以实现智能通信终端在不同电磁传输环境下的多方案兼容设计。

实施例二，如图2所示，本实施例的天线装置包括V型天线12、第一匹配电路11和短接装置等主要组成部分。其中，V型天线12作为定向天线，用于在特定方向上形成定向辐射磁场，以提高天线装置在特定方向上的无线通信性能。本实施例的V型天线12同实施例一，优选外置于智能通信终端，通过在V型天线12上设置转动部，可以实现V型天线12在水平360°方向上自由旋转，继而根据需要的极化方向改变其辐射方向。将V型天线12的信号馈点125连接至智能通信终端内部的PCB基板，并与PCB基板10上布设的第一匹配电路11连通，通过第一匹配电路11连通智能通信终端的信号源10（即，射频通道），以实现射频信号的接收和发射。

本实施例的第一匹配电路11同样可以采用三个电感或者三个电容或者电感和电容的组合设计成π型谐振匹配网络，以用于调节V型天线12在定向辐射时的谐振频率（以形成第一谐振频率），使其与待收发的无线信号的频率一致。当然，所述第一匹配电路11也可以采用一个或多个电容或电感或电容和电感的组合形成L型或者其他形式的匹配电路，以调谐V型天线12的匹配阻抗。

为了实现天线装置从V型天线12向全向天线转变，本实施例在所述短接装置中设置有开关23和第二匹配电路24，如图2所示。将所述开关23的开关通路连接在V型天线12的第二辐射分支122与第二匹配电路24之间，具体可以将开关23的开关通路的一端连接至第二辐射分支122的连接点124，另一端连接第二匹配电路24。所述第二匹配电路24设置在智能通信终端内部的PCB基板上，并与PCB基板上的参考地或者与其他金属参考地良好接通，通过控制所述开关23导通，以使第二辐射分支122的连接点124通过第二匹配电路接通参考地。由于第二辐射分支122的一端连通信号源10，连接点124连通参考地，因此可以构成PIFA或LOOP全向天线形式。即，若连接点124位于第二辐射分支122的末端B，则构成LOOP全向天线；若连接点124位于第二辐射分支122上除末端B以外的其他部位，则可构成FIPA全向天线。通过第二匹配电路24调谐所述PIFA或LOOP全向天线的匹配阻抗，使重构形成的PIFA或LOOP全向天线工作在第二谐振频率（所述第二谐振频率与第一谐振频率不等），由此可以形成另一特定频段的全向天线。由于此时第一辐射分支121形成单极天线，以原有谐振频率（即，第一谐振频率）全向辐射，因此，便形成了双频全向天线系统，实现了天线形式从定向单频天线向全向双频天线的转换，不仅使得天线装置可以适应辐射场均匀的自由空间，而且还可以接收或者发射不同频段的无线信号。

在本实施例中，所述信号源10应为多频信号源，即支持多种频段射频信号的接收和/或发射，以满足智能通信终端多频通信的要求。

在本实施例中，所述开关23同样可以选用有源开关或者手动开关，通过改变开关23的通断状态，以切换天线装置的天线形式。

对于第二匹配电路24来说，既可以采用三个电容或者三个电感或者电容和电感的组合构成π匹配网络，也可以采用一个或多个电容或电感或电容和电感的组合构成L型或者其他类型的匹配网络，以在天线装置由定向天线向全向天线切换后，对第二辐射分支122所形成的PIFA或LOOP全向天线的匹配阻抗进行调谐。

图2所示天线装置的工作原理是：当配置有本实施例二所述天线装置的智能通信终端处于狭隘的辐射空间环境时，如图6所示的狭窄且封闭的传输环境61时，控制所述开关23断开，使天线装置工作在V型定向天线形式，形成如图3所示的定向辐射磁场。根据接收设备62所在的方位，调整V型天线12的辐射方向，使V型天线12辐射形成的主波瓣31指向接收设备62所在的方位，通过提高天线装置在该特定方向上的辐射增益，以改善智能通信终端60与所述接收设备62之间的无线通信性能。

当配置有本实施例二所述天线装置的智能通信终端处于空旷的传输环境时，如图7所示的空旷环境时，控制所述开关23闭合，使V型天线12的第一辐射分支121形成单极全向天线，第二辐射分支122形成PIFA或LOOP全向天线，从而将天线装置由定向单频天线形式切换至全向双频天线形式，以形成双频段的全向辐射磁场，进而满足智能通信终端70与一台或多台设备71-74之间的多路径同时链接的要求。

当然，将第二辐射分支122接地，以实现天线形式由定向天线到全向天线转变的方式还有很多种，本发明并不仅限于以上举例。

本发明的天线装置通过在定向天线与全向天线之间进行选择性切换，实现了智能通信终端在不特定电磁环境下的多方案兼容设计。通过对V型天线的其中一个辐射分支进行选择性地短路设计，从而实现了对V型天线的其中一个辐射分支的谐振破坏，避免了天线装置在切换到全向天线形式后由于同频分支造成的隔离度差的风险。

当然，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。