一种双频双极化可重构智能WIFI天线的制作方法

本发明涉及射频与无线通信的天线技术领域，特别涉及一种双频双极化可重构智能wifi天线。

背景技术：

无限局域网(wlan)已经与企业业务和个人生活密不可分，随着用户对于网络依赖性的不断增强，以及对高速、超宽带网络需求的不断增长，用户对于无线网络使用体验要求也变得越来越高，传统的具有全向覆盖天线的wlan系统已逐渐难以满足广大用户日益增长的体验需要求。随着移动通信中的电波传播、组网技术、天线理论等技术的不断进步，以及现代数字信号处理算法和芯片性能不断升级，为具有灵活波束指向的智能可重构多天线的wlan系统的研究与设计奠定了理论与技术基础。采用具有智能可重构多天线的wlan系统可以自动识别用户请求，产生空间定向波束，将能量集中分配给指定用户，提高信号强度和作用距离，并且可以消除盲点。对于多个用户，还可以利用各个用户信号空间特征的差异，通过形成多波束，在同一信道上同时接收和发射多个信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效，并可以降低发射和接收功率，减少能耗。目前国外已有多家无线通信设备厂商相继发布了具有智能可重构多天线的wlan产品，其中在业界处于领先的是美国的ruckus公司和xirrus公司的产品。国内在智能wlan天线系统方面的研究从2012年左右才开始启动，由于技术门槛较高，仅有华为等少数高科技公司具有开发能力，并且现有产品尚未达到能与国外同类产品竞争的阶段，绝大部分依赖于进口。目前该类产品普遍存在的问题是：(1)设计难度大，开发周期长。不同于传统wlan路由器的外置天线，因为要在一个紧凑的空间内放置多个不同功能和类型的天线，对天线的尺寸、布局和隔离提出了较高的要求。由于没有可供借鉴的架构和经验，天线的设计、优化和调试往往占据了整个系统开发的绝大部分的时间。(2)开发成本高。此类天线不像传统的wlan路由器采用简单的单极子阵列天线架构，而是采用了多组极化和方向图可重构天线，智能自适应控制电路和算法，以及大量的信号控制芯片和处理芯片，导致开发成本远高于传统wlan天线，限制了其推广和应用。(3)系统性能有限。目前国内已有的一些产品，尽管能实现自适应定向波束的功能，但定向波束个数和增益有限，部分波束实际增益仅2-3dbi，和传统全向天线2dbi的增益并无较大差异，致使用户在使用wlan时信号不稳定，用户体验一般，所以部分厂商通过提高发射功率来提高性能，违背了节能的宗旨。

技术实现要素：

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种双频双极化可重构智能wifi天线。本发明设计定向型共口径双频双极化可重构天线单元并以环形阵的形式实现全方位覆盖；本发明设计高效波束形成网络及其控制电路，在不降低天线性能的前提下，实现低成本的智能波束控制方式。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种双频双极化可重构智能wifi天线，包括正n面体、n个双频双极化可重构天线单元、智能波束控制电路，其中n大于3；

正n面体作为天线阵列载体，n个双频双极化可重构天线单元等间距嵌于正n面体的n个面上并与之共形，双频双极化可重构天线单元覆盖了2.4g频段与5g频段；双频双极化可重构天线单元为定向天线，其最大辐射方向沿其法向方向，其为双频双极化共口径天线，其极化方式能在两个正交的线极化之间切换；

智能波束控制电路位于正n面体天线阵列载体内部，并通过n个接口分别与n个双频双极化可重构天线单元连接；所述的智能波束控制电路用于选择n个双频双极化可重构天线单元中任意单元是否工作以及以何种极化方式工作，智能波束控制电路动态检测任意个数的天线单元联合工作下产生的波束所接收的两个频段信号的强度，并以此信号强度来判断用户方位，然后选择各天线单元的最佳工作状态。

作为优选方式，双频双极化可重构天线单元自上而下依次为辐射层、馈电层、反射层；

辐射层的上表面是环形辐射贴片5，下表面是方形辐射贴片6；方形辐射贴片6设在环形辐射贴片5下方的中心，环形辐射贴片5和方形辐射贴片6分别是2.4g频段和5g频段的辐射贴片；

馈电层的上表面为地平面，地平面上开有十字耦合缝隙7，馈电层下表面为y形馈电线8，y形馈电线包括两个馈电分支以及馈电分支下方的总馈电线，两个馈电分支与总馈电线的夹角是±45°，十字耦合缝隙7和总馈电线的夹角是±45°，y型馈电线的两个馈电分支分别垂直于十字耦合缝隙的两条缝隙，馈电分支对与其垂直的耦合缝隙进行激励，两条馈电分支与总馈电线使用pin二极管连接以实现正交的线极化可重构；

反射层的下表面是金属地表面，反射层用于减小后向辐射，同时增大前向辐射的增益。

作为优选方式，所述的智能波束控制电路包括射频开关、一分n路功率合成器、射频放大器、射频检波器、嵌入式微控制器；射频开关选择n个天线单元中任意个数单元接入到功率合成器进行功率合成，其后通过射频放大器进行信号增强，最后通过射频检波器检测信号强度，该信号强度信息经嵌入式微控制器采样并处理。

作为优选方式，所述的n个双频双极化可重构天线单元为结构相同的天线单元。

作为优选方式，双频双极化可重构天线单元通过控制其馈电端的pin二极管来实现其极化方式能在两个正交的线极化之间切换。

作为优选方式，所述n＝8。在天线单元个数为8时，设计单个天线单元波束宽度为45度可以实现全向覆盖，且天线单元的间距合理，整个阵列的大小符合常规需求。

作为优选方式，智能波束控制电路动态检测任意个数的天线单元联合工作下产生的波束所接收的两个频段信号的强度，强度为最大时对应各天线单元的状态即为最佳工作状态。智能波束控制电路选择天线阵的某几个天线单元以某个线极化方式工作，在此状态下检测天线阵接收的两个频段的信号强度，通过快速改变天线阵列的天线单元的工作状态来扫描检测该接收信号的强度，当最终找到最强的接收信号时，就确定此时的天线阵的工作状态为最佳的，在该最佳工作状态下天线阵的辐射波束是指向用户的。

本发明的有益效果为：(1)本发明在一个口径上设计双频双极化可重构天线单元使其不仅覆盖了所需的2.4g频段与5g频段，还可以在两个正交的线极化之间切换，这使得天线单元的体积得到有效减小的同时还减少了所需天线单元的个数。此外，各天线单元间的隔离度较好。(2)把n个定向的双频双极化可重构天线单元以环形的形式组成阵列，不仅能在天线特定方位上取得了高增益的效果还能实现全方位上的覆盖。(3)智能波束控制电路由射频开关、一分八路功率分配/合成器、射频放大器、射频检波器、嵌入式微控制器等模块组成，避开了昂贵的数字信号处理芯片和繁琐的自适应智能算法，有效地降低了成本与设计难度，更具有实用性和可控性，符合商业发展的趋势需求。(4)本发明通过动态检测任意天线单元组合形成的状态所接收的两个频段信号的强度来判断并选择天线阵的最佳工作状态，能动态搜索并跟踪多用户方位。

附图说明

图1是本发明所述一种双频双极化可重构智能wifi天线的阵列示意图。

图2是本发明所述一种双频双极化可重构智能wifi天线的天线单元示意图。

图3是本发明所述天线单元最上层的俯视图。

图4是本发明所述天线单元中间层的俯视图。

图5是本发明所述天线单元最下层的俯视图。

图6是本发明所述智能波束控制电路的电路框图。

图7是本发明所述天线单元2.4g频段的±45°线极化的方向图。

图8是本发明所述天线单元5g频段的±45°线极化的方向图。

图9是本发明所述一种双频双极化可重构智能wifi天线的2.4g频段的s参数图。

图10是本发明所述一种双频双极化可重构智能wifi天线的5g频段的s参数图。

图11是本发明所述天线阵列2.4g频段下每个天线单元单独工作的方向图。

图12是本发明所述天线阵列5g频段下每个天线单元单独工作的方向图。

图13是本发明所述天线阵列2.4g频段下相邻两天线单元工作的方向图。

图14是本发明所述天线阵列5g频段下相邻两天线单元工作的方向图。

图15是本发明所述天线阵列2.4g频段下任意线单元工作的方向图。

图16是本发明所述天线阵列5g频段下任意线单元工作的方向图。

图中标号说明：

1为八个双频双极化可重构天线单元，2为辐射层，3为馈电层，4为反射层，5为环形辐射贴片，6为方形辐射贴片，7为十字耦合缝隙，8为y形馈电线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1给出了一种双频双极化可重构智能wifi天线的阵列示意图，一种双频双极化可重构智能wifi天线，包括正八面体、八个双频双极化可重构天线单元1、智能波束控制电路；

正八面体作为天线阵列载体，八个双频双极化可重构天线单元等间距嵌于正八面体的八个面上并与之共形，双频双极化可重构天线单元覆盖了2.4g频段与5g频段；双频双极化可重构天线单元为定向天线，其最大辐射方向沿其法向方向，其为双频双极化共口径天线，其极化方式能在两个正交的线极化之间切换；所述的八个双频双极化可重构天线单元为结构相同的天线单元。双频双极化可重构天线单元通过控制其馈电端的pin二极管来实现其极化方式能在两个正交的线极化之间切换。在天线单元个数为八时，设计单个天线单元波束宽度为45度可以实现全向覆盖，且天线单元的间距合理，整个阵列的大小符合常规需求。

智能波束控制电路位于正八面体天线阵列载体内部，并通过八个接口分别与八个双频双极化可重构天线单元连接；所述的智能波束控制电路用于选择八个双频双极化可重构天线单元中任意单元是否工作以及以何种极化方式工作，智能波束控制电路动态检测任意个数的天线单元联合工作下产生的波束所接收的两个频段信号的强度，并以此信号强度来判断用户方位，然后选择各天线单元的最佳工作状态。

如图2所示，双频双极化可重构天线单元自上而下依次为辐射层2、馈电层3、反射层4；

如图3所示，辐射层的上表面是环形辐射贴片5，下表面是方形辐射贴片6；方形辐射贴片6设在环形辐射贴片5下方的中心，环形辐射贴片5和方形辐射贴片6分别是2.4g频段和5g频段的辐射贴片；

如图4所示，馈电层的上表面为地平面，地平面上开有十字耦合缝隙7，馈电层下表面为y形馈电线8，y形馈电线包括两个馈电分支以及馈电分支下方的总馈电线，两个馈电分支与总馈电线的夹角是±45°，十字耦合缝隙7和总馈电线的夹角是±45°，y型馈电线的两个馈电分支分别垂直于十字耦合缝隙的两条缝隙，馈电分支对与其垂直的耦合缝隙进行激励，两条馈电分支与总馈电线使用pin二极管连接以实现正交的线极化可重构；

如5所示，反射层的下表面是金属地表面，反射层用于减小后向辐射，同时增大前向辐射的增益。

所述的智能波束控制电路包括射频开关、一分n路功率合成器、射频放大器、射频检波器、嵌入式微控制器；射频开关选择八个天线单元中任意个数单元接入到功率合成器进行功率合成，其后通过射频放大器进行信号增强，最后通过射频检波器检测信号强度，该信号强度信息经嵌入式微控制器采样并处理。

智能波束控制电路选择各天线单元的最佳工作状态时，信号强度最大时对应的天线工作状态即为最佳工作状态处。智能波束控制电路让某几个天线单元以某个线极化方式工作，在此状态下检测天线阵接收的两个频段的信号强度，通过不断改变天线阵列的工作状态来扫描检测信号强度，当最终找到最强的接收信号时，就确定此时的天线阵的工作状态为最佳的，在该最佳工作状态下天线阵的辐射波束是指向用户的。

图6给出了本发明的一种智能波束控制电路的电路框图。如电路框图所示，自八个天线接口获得的信号经过低噪声放大之后可由单刀双掷射频开关选择接入一分八功率合成器中进行功率合成。随后再由单刀双掷射频开关分成2.4g频段放大检波链路与5g频段放大检波链路。如此，通过mcu控制电路让各天线单元以单个天线单元或多个天线单元形成的辐射方向图的形式对全方位进行扫描来判断用户位置进而以最佳辐射方式进行跟踪用户。

图7与图8给出了本发明所述天线单元2.4g频段与5g频段的±45。线极化的方向图。天线单元的增益在7dbi以上。由于馈电层的十字耦合缝隙是±45。放故而激励起±45。线极化，可以通过pin二极管来选择这两个极化中的一个极化来工作。

图9与图10给出了天线阵列上天线单元的s11与s23参数曲线。由于天线单元结构相同并摆放对称，故各天线阵sii参数基本一样且sij参数也基本相同(i,j代表天线单元端口，i不等于j)。天线单元在所需两个频段的反射系数小于-12db，隔离度大于25db，匹配效果与隔离效果均达到很好的效果。

图11与图12给出了天线阵列在2.4g频段与5g频段下各天线单元阵列单独工作时对全方位进行扫描的方向图，图13与图14给出的天线阵列相邻两天线单元联合工作下得到的两个频段的方向图。结合上述四图可知该天线阵列可实现以8dbi左右的增益进行360度扫描。而图15与图16给出了天线阵列任意多个天线单元工作时形成的方向图状态，可以看到该天线阵列能够以多种特定的方向图进行辐射。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。