一种天线系统及其控制方法、网关设备与流程

本发明涉及微波天线技术领域，具体而言，涉及一种天线系统及其控制方法、网关设备。

背景技术：

网关设备需要通过天线与外接计算机设备进行无线通信，不过在实际使用中，需要天线全向辐射的情况比较少，很多应用场景为尽量提供一个针对特定用户的指向性窄波束，这样一方面可以增大系统增益，提高吞吐，另一方面可以降低对其他方向用户的干扰。

目前主要有两种实现方法：利用多根方向图互补的定向天线实现全向覆盖，在搜索到用户后，使用其中的某一根或者两根天线给用户提供信号，在保持较高增益的同时，给用户提供高质量的定向波束，但这种方法对每根天线本身的方向性要求较高，且波束可以切换的覆盖区域有限；或者利用高增益的全向天线进行覆盖，通过提高天线的增益来提高网关的覆盖范围，但这种方法无法做到针对任意区域用户进行波束重构和波束追踪，从而保持用户高质量的网络信号覆盖。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种天线系统及其控制方法、网关设备。

第一方面，本发明提供了一种天线系统，其包括至少三根天线，至少三根所述天线的基线在水平方向不共线设置，各所述天线的信号输入端分别连接收发组件，所述收发组件适于调整所述天线的幅度和/或相位，以实现所述天线系统波束的重构和/或追踪。

进一步，至少三根所述天线的基线在水平面上的投影点适于连接组成边数大于或等于三的多边形。

进一步，所述多边形为矩形。

进一步，所述天线为全向天线。

进一步，所述天线的功率可调范围为0-100%，所述天线的相位可调范围为0-360°。

进一步，多根所述天线的基准点共面设置。

进一步，多根所述天线一体设置。

进一步，其还包括射频功率放大器，所述射频功率放大器分别与各所述收发组件的信号输入端连接。

第二方面，本发明提供了一种天线系统的控制方法，用于如上所述的天线系统，该方法包括：

调整所述天线系统中至少一根天线的幅度和/或相位，以实现所述天线系统波束的重构和/或追踪。

第三方面，本发明提供了一种网关设备，其包括如上所述的天线系统。

本发明提供的天线系统及其控制方法、网关设备的有益效果是，通过多根天线组成多基线天线系统，且各天线的基线在水平方向不共线设置，而每根天线都可以具有相同的尺寸，例如均为相同的全向天线，可以保证覆盖范围较为全面，另外，通过收发组件可调整各天线的幅度和相位，这样可以做到针对任意区域用户进行波束重构和波束追踪，从而保持用户高质量的网络信号覆盖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的天线系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的天线系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的天线系统的电路框图；

图4为本发明实施例的单天线的三维方向图；

图5为本发明实施例的单天线的二维方向图；

图6为本发明实施例的未添加收发组件的四天线系统的三维方向图；

图7为本发明实施例的未添加收发组件的四天线系统的二维方向图；

图8为本发明实施例的四天线系统的第一种波束重构的二维方向图；

图9为本发明实施例的四天线系统的第二种波束重构的二维方向图；

图10为本发明实施例的四天线系统的叠加对比二维方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例的天线系统包括至少三根天线，至少三根所述天线的基线在水平方向不共线设置，各所述天线的信号输入端分别连接收发组件，所述收发组件适于调整所述天线的幅度和/或相位，以实现所述天线系统波束的重构和/或追踪。

具体地，如图1所示，本实施例的天线系统可以包括三根天线1、2、3，也可以包括如图2所示的四根天线1、2、3、4，当然，还可以包括更多天线。需要注意的是，图1和图2中各顶点处的小三角形和小四边形仅作示意，并不代表天线真实的截面形状，且图1和图2均相当于水平面上的视角，换言之，图中三角形、四边形的顶点均相当于天线的基线在水平面上的投影点，天线的物理结构通常是沿垂直于视图方向延伸的。

图1和图2分别显示天线的基线在水平方向呈不共线的三角形及四边形，如果包括更多天线，则相应形成五边形、六边形或更多边形，且各种多边形可以是标准图形，例如等边三角形，或者非标准图形，例如三边均不相等的三角形。

如图3所示，本实施例的天线系统包括多根天线，即，天线1、天线2至天线n，各天线的信号输入端分别连接收发组件，或者说t/r（transmitterandreceiver）组件。其中，各收发组件适于调整对应天线的幅度和/或相位，以实现整个天线系统波束的重构和/或追踪。

在本实施例中，通过多根天线组成多基线天线系统，且各天线的基线在水平方向不共线设置，而每根天线都可以具有相同的尺寸，例如均为相同的全向天线，可以保证覆盖范围较为全面，另外，通过收发组件可调整各天线的幅度和相位，这样可以做到针对任意区域用户进行波束重构和波束追踪，从而保持用户高质量的网络信号覆盖。

可选地，如图3所示，该天线系统还包括射频功率放大器，所述射频功率放大器分别与各所述收发组件的信号输入端连接。

具体地，射频功率放大器接入射频信号，再分别连接至各收发组件，或者说t/r组件，由各收发组件根据实际需求调整对应天线的幅度和/或相位，以实现整个天线系统波束的重构和/或追踪。

可选地，至少三根所述天线的基线在水平面上的投影点适于连接组成边数大于或等于三的多边形。

具体地，如图1和图2所示，其中三角形和四边形的顶点可视为基线在水平面上的投影点，换言之，相邻两根天线的水平连线与其他相邻两根天线的水平连线不重合，而是构成边数大于三的多边形。

可选地，所述多边形为矩形。

具体地，由于路由器等网关设备主要呈矩形，将天线系统设置为呈矩形的多基线天线系统，有助于天线系统安装于网关设备，做到空间的合理应用，并相应降低加工难度。

可选地，所述天线为全向天线。

具体地，各天线均为全向天线，且各天线的物理尺寸可完全一致，这样不需要对每个天线进行区别设置，对天线的特定方向性和加工难度提出了相对现有技术更低的要求，有助于本实施例天线系统的制备和使用。

可选地，所述天线的功率可调范围为0-100%，所述天线的相位可调范围为0-360°。

天线的功率是和其幅度呈正相关性的，通过调整功率可以相应调整幅度，且由于功率可调范围为0-100%，可以覆盖所有需要使用的幅度。相应地，也可以覆盖所有需要使用的相位。从而使本实施例的天线系统整体可以进行任意调节，以实现对任意区域用户进行波束重构和波束追踪，从而保持用户高质量的网络信号覆盖。

可选地，多根所述天线的基准点共面设置。

可选地，多根所述天线一体设置。

具体地，以竖直方向来看，其相当于垂直于图1和图2所呈现视图的方向，各天线的物理尺寸是可以在此方向延伸的，但是，各天线延伸的起点，也就是基准点是共面设置的，这样可以使所有天线基于同一块pcb（printedcircuitboard，印刷电路板）进行加工，也就是多根天线一体成型设置，有助于降低天线系统整体的制备难度。另外，各天线也可以通过馈网连接，馈网可以加工于同一块pcb上，或者，多个鞭状天线通过扣线连在pcb馈网上，也相当于是多根天线一体设置，可以进一步提高天线系统的整体加工效率。

下面以更具体的示例对本发明的天线系统进行说明。

设计一个工作于2.4ghz的全向单极子wifi天线，如图4和图5所示，其在2.4ghz反射（s11）为-13.8db，水平面不圆度为0db，增益1.84dbi，为一个完美的全向天线。

需要注意的是，图4为软件仿真图，所以具有渐变色的背景。另外，其中的x轴和y轴组成的平面相当于前文提到的水平面，z轴方向相当于竖直方向。

由于普通网关设备通常为矩形结构，所以以包括四个上述天线且构成矩形的天线系统进行进一步说明。

首先，将四个天线按照水平不共线的多基线天线形式进行布置，不添加收发组件，仿真其方向图。如图6和图7所示，可见此时普通的四天线系统方向图，在水平面上也近似为一个全向天线，但不圆度为5db，天线系统表现出一定的方向性（0°、90°、180°和270°点增益较大），四个主方向增益为-1.03db，增益较上述单天线还出现了降低。需要注意的是，这是因为利用全向天线阵列来提高天线系统增益的做法通常需要将多根全向天线在垂直方向上进行布置，也就是增大其在z轴方向的尺寸，这也是背景技术中提到的第二种情况中常用的方法，而并非如本实施例中在水平方向进行布置。但是，通常情况在水平方向布置多根全向天线一般多用于利用天线空间分集和信号的多径效应，来提高系统的吞吐，不过，此种方式又会带来覆盖面重叠而降低效率的问题。而本实施例中的天线系统则结合全向天线和水平阵列布置，并进一步结合收发组件，实现既保证覆盖范围全面，又做到针对任意区域用户进行波束重构和波束追踪，从而保持用户高质量的网络信号覆盖。这与现有技术中的原理并不一致，并且可以取得更全面的效果。

然后，通过增加收发组件进行仿真以对上述效果进行进一步说明。通过调节各收发组件的参数，可以调节各天线的幅度和相位，进而控制天线系统的波束重构。

示例性地，设置第一种波束重构的收发组件参数为：天线1、天线3进行等功分（各50%的功率），天线2、天线4不分配功率，所有天线时延为0，如图8所示，天线系统增益2.23dbi，天线主方向为45°和225°，-3db波束宽度156°。

设置第二种波束重构的收发组件参数为：天线2、天线3、天线4进行不等功分，功率比为1:2:1（占系统总功率为25%、50%、25%），天线1不分配功率，所有天线时延为0，如图9所示，天线系统增益2.17dbi，天线主方向为180°和270°，-3db波束宽度156°。

如图10所示，图中分别显示未进行波束重构以及分别进行第一种波束重构和第二种波束重构的四天线系统的二维方向图，可以看到，通过改变收发组件参数，可以实现针对任意区域用户进行波束重构和波束追踪，从而保持用户高质量的网络信号覆盖。

此处仅演示了2组收发组件参数对四天线系统方向图的影响，实际使用中，整个天线系统中每个天线的功率可调范围0-100%、相位可调范围0-360°，可以实现更多的波束指向与波束宽度，实现针对某一指定用户的精准覆盖。

本发明另一实施例的一种天线系统的控制方法用于如上所述的天线系统，该方法包括：

调整所述天线系统中至少一根天线的幅度和/或相位，以实现所述天线系统波束的重构和/或追踪。

具体地，可以通过调整收发组件参数，例如功率等，实现对相应天线幅度和相位的调节。需要注意的是，可以根据实际应用需求，选择各种不同的参数组合，以实现对任意区域用户进行波束重构和波束追踪。

本发明另一实施例的一种网关设备包括如上所述的天线系统。

网关设备作为不同网络之间的连接器，通过配置上述天线系统，将不仅可以保证覆盖范围较为全面，还可以做到针对任意区域用户进行波束重构和波束追踪，从而保持用户高质量的网络信号覆盖。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。