一种智能天线控制系统的制作方法

1.本发明涉及射频天线技术领域，尤其涉及一种智能天线控制系统。


背景技术：

2.万物互联时代，无线局域网络(wireless local areanetwork，wlan)当前广泛应用于日常生活，与每个人、家庭、企业等息息相关，其中ap路由(家庭网关)几乎走进每一个家庭、企业中，覆盖率高达99.9％，为手机、平板、电视、iot无线终端产品等提供wifi网络，从而实现网上冲浪。
3.由于消费者对网络速率、延时、网络体验等需求越来越苛刻，这要求无线路由器(ap)的信号辐射全向性好，传输速率高。
4.因此，亟需提供一种更为可靠的天线控制方案，以提高吞吐速率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种智能天线控制系统，用于解决现有技术中吞吐速率低、辐射性能差的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明提供一种智能天线控制系统，包括：
8.主控芯片、wifi芯片、匹配网络、fem模块、定向耦合器以及天线；
9.所述主控芯片通过高速数字接口与所述wifi芯片进行数据交互；所述匹配网络包括第一匹配网络、第二匹配网络以及第三匹配网络；所述第一匹配网络用于所述wifi芯片的输入/输出匹配；所述第二匹配网络用于所述定向耦合器的输入/输出匹配；所述第三匹配网络用于射频开关的输入/输出匹配；
10.所述fem模块通过所述第一匹配网络与所述wifi芯片进行数据交互，用于将收发的所述wifi芯片输出的wifi射频信号进行放大；所述定向耦合器用于对所述wifi芯片输出的wifi射频信号进行反馈；所述天线为隐形天线，用于将wifi高频电信号转换成相应频率的电磁波，并将所述电磁波对应的能量辐射出去。
11.与现有技术相比，本发明提供一种智能天线控制系统，包括：主控芯片、wifi芯片、匹配网络、fem模块、定向耦合器以及天线；主控芯片通过高速数字接口与wifi芯片进行数据交互；匹配网络包括第一匹配网络、第二匹配网络以及第三匹配网络；第一匹配网络用于wifi芯片的输入/输出匹配；第二匹配网络用于定向耦合器的输入/输出匹配；第三匹配网络用于射频开关的输入/输出匹配；fem模块通过第一匹配网络与wifi芯片进行数据交互，用于将收发的wifi芯片输出的wifi射频信号进行放大；定向耦合器用于对wifi芯片输出的wifi射频信号进行反馈；天线为隐形天线，用于将wifi高频电信号转换成相应频率的电磁波，并将电磁波对应的能量辐射出去。本发明中通过匹配网络匹配对应结构的输入输出，路由器的天线与天线之间有物理性的遮挡，因此增加了可控的射频开关以及定向耦合器，以实现信号辐射无死角，全向性好、吞吐速率高。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
13.图1为吞吐量测试示意图；
14.图2为本发明提供的一种智能天线控制系统的系统结构示意图；
15.图3为实际吞吐测试框图；
16.图4为被测产品的天线设计示意图。
具体实施方式
17.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
18.需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
19.本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
20.技术术语解释：
21.soc:system on chip，称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。在本发明中，soc可以指主控芯片。
22.2t2r：是一种新型的无线技术，采用双天线设计，两根天线分别负责接收和发送
23.现有技术中，目前大部分无线终端通过增加天线数量实现mimo以提升吞吐速率。由于现代数字通讯系统在多径反射或强干扰环境下实现通信，所以无线路由器产品在研发设计验收阶段，会针对整机无线性能进行严格评估，其中在测试路由器产品的全向性时，会固定被测设备，360
°
转动无线对端产品，进行上行/下行吞吐量测试。如下图1所示，假设产品正方向定位为0
°
，顺时针旋转，5g wifi吞吐曲线在90
°
和270
°
等方向上会会出现吞吐量曲线掉坑的现象，因为在90
°
和270
°
方向上，天线之间存在重叠，即一根天线被另外一根天线遮挡，而5g wifi频率高，波长短，信号被遮挡，导致辐射性能变差，但2.4g wifi频率低，波长长，信号不会被遮挡。对于2t2r以上的无线终端产品，天线无论怎么排放，均存在信号被遮挡、信号辐射性能差的问题。
24.对此，本发明提供一种智能天线控制系统。
25.接下来，结合附图对本说明书实施例提供的方案进行说明：
26.图2为本发明提供的一种智能天线控制系统的系统结构示意图，如图2所示，本发明提供的智能天线控制系统主要包括主控芯片、wifi芯片、匹配网络、fem模块、定向耦合器以及天线；
27.其中，主控芯片通过高速数字接口与所述wifi芯片进行数据交互；所述匹配网络包括第一匹配网络、第二匹配网络以及第三匹配网络；所述第一匹配网络用于所述wifi芯片的输入/输出匹配；所述第二匹配网络用于所述定向耦合器的输入/输出匹配；所述第三匹配网络用于射频开关的输入/输出匹配；
28.所述fem模块通过所述第一匹配网络与所述wifi芯片进行数据交互，用于将收发的所述wifi芯片输出的wifi射频信号进行放大；所述定向耦合器用于对所述wifi芯片输出的wifi射频信号进行反馈；所述天线为隐形天线，用于将wifi高频电信号转换成相应频率的电磁波，并将所述电磁波对应的能量辐射出去。
29.其中，第一匹配网络可以包括匹配网络1、匹配网络6、匹配网络11、匹配网络16、匹配网络3、匹配网络8、匹配网络13、匹配网络18、匹配网络2、匹配网络7、匹配网络12、匹配网络17。
30.更为具体地，匹配网络1、匹配网络6、匹配网络11、匹配网络16主要进行wifi芯片内置pa的输出匹配，保证pa的负载牵引在最合适的范围内；进行外置pa的输入匹配，减少输入信号的反射。
31.匹配网络3、匹配网络8、匹配网络13以及匹配网络18主要进行wifi芯片外置pa的输出匹配，保证pa的负载牵引在最合适的范围内；wifi芯片外置lna的输入匹配；定向耦合器的输入/输出匹配，减少输入信号的反射和保证定向耦合器的输出阻抗为50ω。
32.匹配网络2、匹配网络7、匹配网络12、匹配网络17主要进行wifi芯片外置lna的输出匹配，保证外置lna的输出阻抗为50ω。
33.第二匹配网络可以包括匹配网络4、匹配网络9、匹配网络14、匹配网络19、匹配网络5、匹配网络10、匹配网络15、匹配网络20。
34.更为具体地，匹配网络4、匹配网络9、匹配网络14主要进行定向耦合器的输出/输入匹配，减少输入信号的反射和保证定向耦合器的输出阻抗为50ω；进行天线的阻抗匹配，减少信号的反射。
35.匹配网络19主要进行定向耦合器和射频开关的输出/输入匹配，减少输入信号的反射和保证定向耦合器的输出阻抗为50ω。
36.匹配网络5、匹配网络10、匹配网络15、匹配网络20主要进行定向耦合器的耦合端信号的输出匹配。
37.第三匹配网络可以包括匹配网络21以及匹配网络22，主要进行射频开关的输出/输入匹配，减少输入信号的反射和保证射频开关的输出阻抗为50ω；进行天线的阻抗匹配，减少信号的反射。
38.如图2所示，本发明提供的智能天线控制系统含有37个子模块，分别为主控芯片、wifi芯片、22个匹配网络、4个fem模块、4个定向耦合器、5根天线。
39.主控芯片：是一颗多核、高主频的cpu处理器，主要是进行数据处理和交互，整合多
种先进的连接规格，比如sgmii/rgmii、pcie等，通过高速接口和wifi芯片进行数据交互，其中，不管是sgmii还是rgmii，phy和mac之间的传输信息不仅包含网口数据，而且包含端口速率、半双工或全双工等指示信息，rx_dv/tx_en/rx_err/tx_err等流控信息，还有col和crs。wifi芯片：主要是运行wifi协议栈和相关wifi算法，集成wifi系统的bb/mac/phy/pa/lna/adc/dac/pll等，发射/接收射频信号，通过高速接口和主控进行数据交互。22个匹配网络即为上述的第一匹配网络、第二匹配网络以及第三匹配网络中包含的所有匹配网络。
40.4个fem模块：2个2.4gfem模块以及2个5gfem模块，主要是集成pa、lna、射频开关等射频模块，主要是用于收发的wifi射频信号放大。
41.4个定向耦合器模块：主要是射频输出信号的反馈信号，用于实时动态调整整个系统的发射功率。
42.5根天线模块：主要将wifi高频电信号转换成相应频率的电磁波，并把能量辐射出去。
43.提供一种智能天线控制系统，包括：主控芯片、wifi芯片、匹配网络、fem模块、定向耦合器以及天线；主控芯片通过高速数字接口与wifi芯片进行数据交互；匹配网络包括第一匹配网络、第二匹配网络以及第三匹配网络；第一匹配网络用于wifi芯片的输入/输出匹配；第二匹配网络用于定向耦合器的输入/输出匹配；第三匹配网络用于射频开关的输入/输出匹配；fem模块通过第一匹配网络与wifi芯片进行数据交互，用于将收发的wifi芯片输出的wifi射频信号进行放大；定向耦合器用于对wifi芯片输出的wifi射频信号进行反馈；天线为隐形天线，用于将wifi高频电信号转换成相应频率的电磁波，并将电磁波对应的能量辐射出去。本发明中通过匹配网络匹配对应结构的输入输出，路由器的天线与天线之间有物理性的遮挡，因此增加了可控的射频开关以及定向耦合器，以实现信号辐射无死角，全向性好、吞吐速率高。
44.基于图2的系统，本说明书实施例还提供了该系统对应的一些具体实施方式，下面进行说明。
45.通过上面图2系统的相关论述，智能天线系统中至少包括2个2.4gfem模块以及2个5gfem模块，可以理解每个fem模块分别对应一个通信通道。在本说明书实施例中，以智能天线系统包括2个2.4gfem模块以及2个5g fem模块为例进行说明：
46.当智能天线系统包括2个2.4gfem模块以及2个5gfem模块时，可以对应2.4g通道1、2.4g通道2、5g通道1以及5g通道2。
47.实施方式一、当整个系统处于信号发射状态时，4个通道均进行信号发射。
48.对应的发射过程如下：
49.2.4g两个通道和5g通道1的信号发射过程：
50.整个系统处于发射状态时，soc模块通过高速接口(pcie2.0/3.0等)发送bit流数据至wifi芯片模块，wifi芯片模块将数字基带信号通过adc(集成在wifi芯片里面)转换成模拟信号，通过多级混频转换成射频信号；再经过wifi内置的pa模块放大射频信号，该射频信号输出至外置pa模块，再经过一级放大，输出功率达到最大；信号传输至定向耦合器，耦合端信号反馈至wifi芯片内，并进行实时动态调整输出功率，输出端信号传输至天线，天线将wifi高频电信号转换成相应频率的电磁波，并把能量辐射出去。
51.5g通道2的信号发射过程：
52.整个系统处于发射状态时，soc模块通过高速接口(pcie2.0/3.0等)发送bit流数据至wifi芯片模块，wifi芯片模块将数字基带信号通过adc(集成在wifi芯片里面)转换成模拟信号，通过多级混频转换成射频信号；再经过wifi内置的pa模块放大射频信号，该射频信号输出至外置pa模块，再经过一级放大，输出功率达到最大；信号传输至定向耦合器，耦合端信号反馈至wifi芯片内，并进行实时动态调整输出功率，输出端信号传输至射频开关，通过控制射频开关的使能引脚，不同场景下射频开关选择输出至不同的5g天线(5g ant2或5g智能天线)，天线将wifi高频电信号转换成相应频率的电磁波，并把能量辐射出去。
53.实施方式二、当整个系统处于信号接收状态时，4个通道均进行信号接收。
54.对应的接收过程如下：
55.2.4g两个通道和5g通道1的信号接收过程：
56.整个系统处于接收状态时，对端产品通过天线辐射出来的电磁信号，天线接收到该微弱的信号后，将电磁波转换成相应频率的wifi高频电信号；信号传输至定向耦合器，耦合端信号反馈至wifi芯片内，并进行实时动态调整lna放大倍数，输出端信号传输至外置lna；经过lna放大后的信号传输至wifi芯片内的lna进行进一步放大；wifi芯片模块通过多级混频转换成低频的模拟信号，将通过dac(集成在wifi芯片里面)转换成数字基带信号，通过高速接口(pcie2.0/3.0等)发送bit流数据至soc模块。
57.5g通道2的信号接收过程：
58.整个系统处于接收状态时，对端产品通过天线辐射出来的电磁信号，通过控制射频开关的使能引脚，不同场景下射频开关选择不同的5g天线(5g ant2或5g智能天线)进行接收，天线接收到该微弱的信号后，将电磁波转换成相应频率的wifi高频电信号；信号传输至定向耦合器，耦合端信号反馈至wifi芯片内，并进行实时动态调整lna放大倍数，输出端信号传输至外置lna；经过lna放大后的信号传输至wifi芯片内的lna进行进一步放大；wifi芯片模块通过多级混频转换成低频的模拟信号，将通过dac(集成在wifi芯片里面)转换成数字基带信号，通过高速接口(pcie2.0/3.0等)发送bit流数据至soc模块。
59.可见，图2中的智能天线系统，在进行信号发射或者信号接收时，多匹配网络、定向耦合器、射频开关以及智能天线等结构的配合使用，可以实现信号辐射无死角，全向性好、吞吐速率高。
60.基于本发明设计的智能天线控制系统，在具体测试时，可以实现360
°
不掉坑，具体地，实际吞吐测试框图可以结合图3进行说明：
61.图3为实际吞吐测试框图。如图3所示，pc端装上无线网卡或路由ap产品(性能规格大于被测产品)，用于与被测产品对接跑吞吐性能。在pc端设置无线网卡或ap产品的wlan参数(wifi制式、带宽、gi、发射功率、账号密码等相关信息)，使其wifi性能处于最大；被测产品通过串口连接至另外一台pc，在串口工具窗口，通过下发相关指令，关联上无线网卡或ap产品。关联上后，被测产品侧通过串口实时查看rssi和连接速率，无线网卡端在pc上也可查看最大连接速率。无线网卡端产品通过pcie卡槽连接至pc(路由ap产品可通过网口连接至pc)，在pc上装上吞吐测试工具ixchariot；打开工具，通过ip地址方式进行连接，并设置相关参数，即可进行实时吞吐打流。360
°
转角测试过程中，需要顺时针实时转动(转速每秒2
°
)无线网卡或路由ap产品，保证吞吐曲线不掉坑。
62.然而5g wifi在进行实际360
°
转角吞吐性能测试过程中，在90
°
和270
°
时：
63.在整个系统处于发射或接收状态时，即产品tx/rx吞吐量测试，由于产品天线物理性遮挡，导致这个角度上的吞吐量变差，在吞吐曲线上表现为掉坑现象。如上图3所示，在5g wifi通路2上，设计上增加一个5g智能天线；
64.对端设备在0
°
～90
°
转动过程中，通过监测实时连接状态下的rssi，当rssi变化量超过2db，结合无线网卡或路由ap产品的转动时间和转速，控制射频开关的使能，关断5gant2，打开5g智能天线，使用5g智能天线进行发射或接收。
65.对端设备在90
°
～180
°
转动过程中，通过监测实时连接状态下的rssi，当rssi变化量超过2db，结合无线网卡或路由ap产品的转动时间和转速，控制射频开关的使能，关断5g智能天线，打开5g ant2，使用5gant2进行发射或接收。
66.对端设备在180
°
～270
°
转动过程中，通过监测实时连接状态下的rssi，当rssi变化量超过2db，结合无线网卡或路由ap产品的转动时间和转速，控制射频开关的使能，关断5gant2，打开5g智能天线，使用5g智能天线进行发射或接收。
67.对端设备在270
°
～360
°
转动过程中，通过监测实时连接状态下的rssi，当rssi变化量超过2db，结合无线网卡或路由ap产品的转动时间和转速，控制射频开关的使能，关断5g智能天线，打开5g ant2，使用5g ant2进行发射或接收。
68.其中2.4g wifi ant1/ant2的关键规格参数如下：
69.参数描述规格要求单位天线效率≥-1.5db极化方式交叉极化-水平面最大增益≥5dbi水平面平均增益≥5dbi不圆度≤3db不平衡度≤3db天线间距≥180mm隔离度≥23dbecc(天线包络系数)≤0.1-70.5g wifi ant1/ant2的关键规格参数如下：
71.参数描述规格要求单位天线效率≥-2db极化方式交叉极化-水平面最大增益≥6dbi水平面平均增益≥6dbi不圆度≤3db不平衡度≤5db天线间距≥180mm隔离度≥30dbecc(天线包络系数)≤0.1-72.5g wifi智能天线的关键规格参数如下：
73.参数描述规格要求单位天线效率≥-2db极化方式垂直极化-水平面最大增益≥5dbi水平面平均增益≥5dbi不圆度≤3db不平衡度≤5db天线间距≥180mm隔离度≥30dbecc(天线包络系数)≤0.1-74.其中，5g智能天线：pcb天线形式，成本低。
75.5g智能天线排放位置要求：垂直于5g ant1和5gant2两点位置之间的连线，与5gant1同侧，安装至产品结构内侧，pcb天线竖直放置，铜皮面朝外，周围无金属件。
76.其中，本发明提供的被测产品的天线设计为图4所示：
77.设置有5g天线，设置至少2个5g通道、至少2个2.4g通道，2.4g的通道对应设置2.4g的ant接口，5g的通道对应设置5g的ant接口。
78.上述主要从各个模块之间交互的角度对本发明实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，各个模块为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件单元。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本发明能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
79.本发明实施例可以根据上述方法示例进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
80.上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、asic、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
81.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机程序或指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序或指令时，全部或部分地执行本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、终端、用户设备或者其它可编程装置。所述计算机程序或指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机程序或指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是集成一个或多个可用介质的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带；也可以是光介质，例如，数字视频光盘(digital video disc，dvd)；还可以是半导体介质，例如，固态硬盘(solid state drive，ssd)。
82.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
83.尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。