CN104269659B - 无线定位的多天线结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线定位技术领域，公开了一种无线定位的多天线结构及设计方法。所述无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：传输线和逐次串行连接在传输线上的至少两个天线（2）；任意两个天线之间的传输线长度大于最小传输线长度。所述传输线连接有放大器（3），所述放大器（3）的工作频段与天线（2）的工作频段匹配。所述无线定位的多天线结构及设计方法采用串行传输方式传递从天线到定位处理中心的电信号，相比较于并行传输方式，节省了传输线的长度和至少一个放大器，降低了无线定位系统的成本，同时也简化了传输线的走线布局。

Description

无线定位的多天线结构及设计方法

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，具体地，涉及一种无线定位的多天线结构及设计方法。

背景技术

无线定位技术是一种通过直接或间接测定无线电信号在已知位置与未知位置之间的传播参数，进一步确定未知位置的测量技术，例如WiFi（Wireless Fidelity，无线保真）无线定位技术，Zigbee（紫蜂协议）无线定位技术，有源RFID（Radio FrequencyIdentification，射频识别）无线定位技术和UWB（Ultra Wide Band，超宽带）无线定位技术等。其中UWB无线定位技术使用3.1～10.6GHz之间的频段，由于工作频率高和波长小，具有信息容量大，定位精度高，抗多径干扰能力强，保密性好等优点，广泛应用于机场、地铁及其它大型集会场所的人员或物品定位管理。

无线定位技术采用多天线进行定位，在定位区域设置有3～4个参考接点，每个参考节点拥有独立的天线、传输线和放大器，构成一个独立的信号传输路径，这些路径并行通往定位处理中心。在无线定位过程中，各个参考节点上的天线接收同一待定位标签发送的无线电信号，并生成相应的电信号向定位处理中心传送。由于待定位标签到各个天线的距离和天线至定位处理中心的传输线长度不同，最后各个天线产生的电信号到达定位处理中心的时间也不同，通过测量电信号到达时间差并执行TODA算法（Time Difference ofArrive, 时间达到差算法）即可计算出待定位标签的空间位置，从而实现对待定位标签的无线定位。但是在无线定位的多天线结构中，由于多个参考点拥有独立的传输线和放大器，现有定位系统的成本一直居高不下，同时并行传输方式还会导致传输线走线复杂，尤其是在诸如室内等小空间应用时，这些局限更为明显。

针对上述目前无线定位的多天线结构系统成本居高不下和传输线走线复杂的问题，需要提供一种新的无线定位的多天线结构及设计方法，节省无线定位系统的成本，并简化传输线的走线布局。

发明内容

针对前述无线定位的多天线结构系统成本居高不下和传输线走线复杂的问题，本发明提供了一种无线定位的多天线结构及设计方法，采用串行传输结构，节省了传输线和放大器，并简化了传输线的走线布局。

本发明采用的技术方案，一方面提供了一种无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：传输线和逐次串行连接在传输线上的至少两个天线；任意两个天线之间的传输线长度大于最小传输线长度。所述无线定位的多天线结构采用串行传输结构，相比较于并行传输结构，节省了传输线的长度，降低了系统成本，同时也简化了传输线的走线布局。

具体的，所述传输线连接有放大器，所述放大器的工作频段与天线的工作频段匹配。所述放大器用于放大从天线传送来的电信号，以便定位处理中心识别处理。

具体的，所述天线通过连接部件与传输线连接。所述连接部件包括三通接头、功分器和定向耦合器中的任意一种。所述连接部件用于将天线接收到的电信号传送到输出线中，并叠加传输线中已有的电信号，使叠加后的电信号向定位处理中心方向传送。

具体的，所述传输线为同轴电缆，所述最小传输线长度为，与信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离满足关系：

式中，为同轴电缆的等效介电常数，为光速；

或者，所述传输线为微带线，所述最小传输线长度为，与信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离满足关系：

式中，为微带线的等效介电常数，为光速。

本发明采用的技术方案，另一方面提供了一种无线定位的多天线结构设计方法，其特征在于，包括：确定信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离；根据所述信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离确定最小传输线长度；在待定位区间布置至少两个天线，将所述天线逐次串行连接在传输线上，任意两个天线之间的传输线长度大于所述最小传输线长度。

具体的，所述传输线为同轴电缆，所述最小传输线长度的计算公式如下：

式中，为同轴电缆的等效介电常数，为光速；

或者，所述传输线为微带线，所述最小传输线长度的计算公式如下：

式中，为微带线的等效介电常数，为光速。

综上，采用本发明所提供的无线定位的多天线结构及设计方法，通过逐次串行连接多个天线及放大器，并且由于任意两个天线之间的传输线长度大于最小传输线长度，使得定位处理中心能够分辨各个天线对应的电信号并测量出任意两个电信号到达的时间之差，以便通过TODA算法对待定位标签进行定位计算。所述无线定位的多天线结构采用串行传输结构，相比较于并行传输结构，节省了传输线的长度和至少一个放大器，降低了无线定位系统的成本，同时也简化了传输线的走线布局。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明的第一种无线定位的多天线结构示意图。

图2是天线与传输线的第一种连接示意图。

图3是天线与传输线的第二种连接示意图。

图4是天线与传输线的第三种连接示意图。

图5是定位处理中心接收到时域信号的时域图。

图6是本发明的第二种无线定位的多天线结构示意图。

图7是本发明的第三种无线定位的多天线结构示意图。

图8是本发明的无线定位的多天线结构设计方法流程图。

上述附图中：1、同轴电缆 2、天线 3、放大器 4、三通接头 5、功分器 6、定向耦合器 7、第一段同轴电缆 8、 第二段同轴电缆 9、微带线。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的无线定位的多天线结构及设计方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中描述的各种技术可以用于但不限于多天线无线定位领域，还可以用于其它诸如探地雷达、无线通信等类似领域。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种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，单独存在B，同时存在A和B三种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

一方面，通过实施例方式详细地描述本发明提供的无线定位的多天线结构，如下实施例一至实施例三以及拓展实施例。

实施例一，图1示出了本发明的第一种无线定位的多天线结构示意图。所述无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：同轴电缆1和逐次串行连接在同轴电缆1上的三个天线2；任意两个天线之间的同轴电缆长度大于最小同轴电缆长度。所述无线定位的多天线结构提供了三个参考节点，所述三个参考节点上的天线包围或者包围并指向待定位标签，在接收同一待定位标签发送的无线电信号后，生成相应的电信号并通过同一条传输路径传送到定位处理中心。同时设计任意两个天线之间的同轴电缆长度大于最小同轴电缆长度，使得定位处理中心能够分辨各个天线对应的电信号并测量出任意两个电信号到达的时间之差，以便通过TODA算法对待定位标签进行定位计算。所述无线定位的多天线结构采用串行传输结构，相比较于并行传输结构，节省了同轴电缆的长度，降低了系统成本，同时也简化了同轴电缆的走线布局。

具体的，所述同轴电缆1连接有放大器3，所述放大器3的工作频段与天线2的工作频段匹配。所述放大器3可以是但不限于低噪声放大器或线性放大器，其布置在定位处理中心的输入端，用于放大从三个天线2传送来的电信号，以便定位处理中心识别和处理。

具体的，所述天线2为UWB时域脉冲天线。所述UWB时域脉冲天线用于接收待定位标签在UWB频段（3.1～10.6GHz）发送的无线电脉冲信号，并产生时域脉冲信号，并向定位处理中心方向传送。在本实施例中，为了与UWB时域脉冲天线的工作频段匹配，所述放大器3为UWB低噪声放大器。所述UWB低噪声放大器线性放大UWB时域脉冲天线传送到的UWB时域脉冲信号，同时减小噪声干扰，方便定位处理中心对UWB时域脉冲信号的识别和处理。

具体的，所述天线2通过连接部件与同轴电缆1连接。所述连接部件用于将天线接收到的电信号传送到同轴电缆1中，并叠加同轴电缆1中已有的电信号，使叠加电信号在同轴电缆1上向定位处理中心方向传送。所述连接部件包括三通接头、功分器、定向耦合器和其他连接部件中的任意一种。图2示出了天线2与同轴电缆1的第一种连接示意图，所述连接部件为三通接头4，其三个接头分别连接天线2、第一段同轴电缆7和第二段同轴电缆8。所述三通接头4将第一段同轴电缆7和天线2传来的电信号叠加，并使叠加电信号在第二段同轴电缆8上向定位处理中心方向传送。图3示出了天线2与同轴电缆1的第二种连接示意图，所述连接部件为功分器5，其第一分路端连接第一段同轴电缆7，其第二分路端连接天线2，其合成端连接第二段同轴电缆8。根据功分器逆向合成原理，所述功分器5将第一段同轴电缆7和天线2传来的电信号叠加，并使叠加电信号在第二段同轴电缆8上向定位处理中心方向传送。图4示出了天线2与同轴电缆1的第三种连接示意图，所述连接部件为定向耦合器6，其直通端连接第一段同轴电缆7，其耦合端连接天线2，其输入端连接第二段同轴电缆8。根据定向耦合器逆向合成原理，所述定向耦合器6将第一段同轴电缆7和天线2传来的电信号叠加，并使叠加电信号在第二段同轴电缆8上向定位处理中心方向传送。

具体的，所述定位处理中心包括UWB接收机，所述定位处理中心用于接收三个天线传来的、经过叠加的时域电信号，并在时域上分辨出各个天线对应的UWB时域脉冲信号，测量出任意两个天线传来UWB时域脉冲信号的时间之差，根据TODA算法计算出待定位标签的位置。

具体的，所述最小同轴电缆长度为，与信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离满足关系：

式中，为同轴电缆的等效介电常数，为光速。

由于待定位标签发送无线电信号时的拖尾现象及天线接收无线电信号的拖尾作用，定位处理中心接收到的时域信号并不理想，存在多个时域脉冲信号重叠而不能分辨出各个天线对应的时域脉冲信号，从而无法测量出任意两个时域脉冲信号到达的时间之差，影响后续的定位计算。因此通过延长两个天线之间的传播时延，使其大于信号最小分辨时间，确保定位处理中心足够分辨出各个天线对应的时域脉冲信号。所述信号最小分辨时间包含两个部分，一是因拖尾现象造成的信号最大拖尾时间，二是因待定位标签与各个天线距离不同而造成的信号最大偏移时间，前者通过测试从待定位标签发送无线电信号到定位处理中心接收时域信号过程中导致的最大拖尾时间，包括待定位标签发送时的拖尾时间和天线接收时的拖尾时间。后者先通过测量待定位区间的最大移动距离，再通过如下公式计算：

式中，为光速。所述待定位区间的最大移动距离是指待定位区间任意空间两点距离中的最大值，例如待定位区间为一个长5米,宽4米,高3米的长方体房间，对角线长度即为待定位区间的最大移动距离，其值约为7.07米，当天线布置在对角点，而待定位标签在其中一个对角点时，因待定位标签与各个天线距离不同而造成的信号偏移时间最大。如此天线布置在待定位区间的任意位置，定位处理中心接收到的信号均不会发生重叠现象，从而能够分辨出各个天线对应的时域脉冲信号，并测量出任意两个时域脉冲信号到达的时间之差，以便通过TODA算法进行定位计算。根据同轴电缆的传播时延公式得到所述最小同轴电缆长度，与信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离满足关系：

式中，为同轴电缆的等效介电常数，为光速。

本实施例的无线定位的多天线结构的工作原理结合图5予以简要说明。

在待定位区间内，待定位标签在UWB工作频段上发送无线电脉冲信号，三个天线分别接收所述无线电脉冲信号，并产生UWB时域脉冲信号，在同一条串行传输路径上叠加为含有三个时域脉冲信号的时域信号，并经UWB低噪声放大器放大后送至定位处理中心，最后定位处理中心接收到如图5所示的含有三个时域脉冲信号的时域信号时域图。由于本实施例中，由于任意两个天线之间的同轴电缆长度大于最小同轴电缆长度，使得任意两个天线对应的时域脉冲信号的时间之差大于最小分辨时间，定位处理中心能够分辨并准确测量出任意两个天线对应的时域脉冲信号的时间之差。所述任意两个天线对应的时域脉冲信号的时间之差包含两部分的时间，一是天线之间的同轴电缆长度所导致的传输时延，另一个是待定位标签到对应天线的距离之差所导致的传播时延，而才是TDOA定位算法所需的参数。前者传输时延根据已知的任意两个天线之间的同轴电缆长度计算获得，或者根据需要进行设计同轴电缆的长度，使传输时延固定在指定数值而获得，后者传播时延通过公式：获得。定位处理中心根据各定位天线的已知位置和待定位标签到各定位天线之间的传播时延，经过TODA定位算法计算后，即可获取待定位标签的位置。

上述提供的无线定位的多天线结构，通过逐次串行连接各天线和放大器，并且使任意两个天线之间的同轴电缆长度大于最小同轴电缆长度，使得定位处理中心足够分辨出各个天线对应的时域脉冲信号并测量出任意两个天线对应的时域脉冲信号到达的时间之差，以便通过TODA算法进行定位计算。所述无线定位的多天线结构采用串行传输结构，相比较于并行传输结构，节省了同轴电缆的长度和两个UWB低噪声放大器，降低了无线定位系统的成本，同时也简化了同轴电缆的走线布局。

实施例二，图6示出了本发明的第二种无线定位的多天线结构示意图。实施例二中的所述多天线结构与实施例一的无线定位的多天线结构不同之处在于，包括：微带线9和逐次串行连接在微带线9上的两个天线2；两个天线之间的微带线长度大于最小微带线长度。所述微带线连接有放大器3，所述放大器3的工作频段与天线2的工作频段匹配。所述天线通过连接部件与微带线连接。所述最小微带线长度为，与信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离满足关系：

式中，为微带线的等效介电常数，为光速。

参照实施例一的技术效果，实施例二的技术效果的不同之处在于：所述无线定位的多天线结构采用串行传输结构，节省了微带线的长度和一个放大器，降低了无线定位系统的成本，同时也简化了微带线的走线布局。

实施例三，图7示出了本发明的第三种无线定位的多天线结构示意图。实施例三中的所述多天线结构与实施例一的无线定位的多天线结构不同之处在于，包括：同轴电缆1和逐次串行连接在同轴电缆1上的四个天线2；任意两个天线之间的同轴电缆长度大于最小同轴电缆长度。

参照实施例一的技术效果，实施例三的技术效果的不同之处在于：所述无线定位的多天线结构采用串行传输结构，节省了三个放大器，性价比更高。

参照前述的实施例，本发明的无线定位的多天线结构还可以拓展出其它的实施例，这些实施例与前述实施例的不同之处，包括：传输线和逐次串行连接在传输线上的至少两个天线；任意两个天线之间的传输线长度大于最小传输线长度。所述天线包括UWB时域脉冲天线、WiFi接收天线、ZigBee接收天线和RF435M接收天线等其它频段的天线中的任意一种。所述传输线连接有放大器，所述放大器的工作频段与天线的工作频段匹配。所述天线通过连接部件与传输线连接。所述传输线包括同轴电缆、微带线、平行双导线、同轴线和带状线等其他传输线中的任意一种。

上述这些实施例的技术效果，可以参照实施例一至实施例三的技术效果，不需要通过创造性的劳动即可得到。

另一方面，通过实施例方式详细地描述本发明提供的无线定位的多天线结构设计方法，如下实施例四。

实施例四，图8示出了本发明的无线定位的多天线结构设计方法流程图。所述无线定位的多天线结构设计方法的步骤如下。

S101、确定信号最大拖尾时间和待定位区间的最大移动距离。

所述信号最大拖尾时间通过测试从待定位标签发送无线电信号到定位处理中心接收时域信号过程中导致的最大拖尾时间，包括待定位标签发送时的拖尾时间和天线接收时的拖尾时间。所述待定位区间的最大移动距离是指待定位区间任意空间两点距离中的最大值，用于计算因待定位标签与各个天线距离不同而造成的信号最大偏移时间，例如待定位区间为一个长5米,宽4米,高3米的长方体房间，对角线长度即为待定位区间的最大移动距离，其值约为7.07米，当天线布置在对角点，而待定位标签在其中一个对角点时，因待定位标签与各个天线距离不同而造成的信号偏移时间最大。所述定位处理中心包括接收机，用于接收各个天线传来的时域信号，并在时域上分辨出各个天线对应的信号，测量出任意两个天线对应信号的时间之差，根据TODA算法计算出待定位标签的位置。

S102、根据所述信号最大拖尾信号和待定位区间的最大移动距离确定最小传输线长度。

所述传输线包括同轴电缆、微带线、平行双导线、同轴线和带状线等其他传输线中的任意一种。所述传输线为同轴电缆时，所述最小传输线长度的计算公式如下：

式中，为同轴电缆的等效介电常数，为光速。或者，所述传输线为微带线，所述最小传输线长度的计算公式如下：

式中，为微带线的等效介电常数，为光速。所述计算公式中为定位处理中心分辨各个天线对应信号的最小分辨时间，包含两个部分，一是因拖尾现象造成的信号最大拖尾时间，二是因待定位标签与各个天线距离不同而造成的信号最大偏移时间，后者对应待定位区间的最大移动距离，通过如下公式计算：。例如在长方体房间中，天线布置在对角点，而待定位标签在其中一个对角度点时，因待定位标签与各个天线距离不同而造成的信号偏移时间最大。

S103、在待定位区间布置至少两个天线，将所述天线逐次串行连接在传输线上，任意两个天线之间的传输线长度大于所述最小传输线长度。

在待定位区间根据需要布置天线的个数，个数越多，定位精度也越高，系统成本也越高，一般在诸如室内小空间布置2～4个天线为宜。由于任意两个天线之间的传输线长度大于所述最小传输线长度，天线布置在定位区间的任何位置，使天线包围或者包围并指向待定位标签，定位处理中心所接收到的任意两个天线对应的电信号均不会发生重叠而导致无法分辨及测量的情况。所述传输线连接有放大器，所述放大器的工作频段与天线的工作频段匹配，其可以是但不限于低噪声放大器或线性放大器，其布置在定位处理中心的输入端，用于放大从多个天线传送来的、经过叠加的时域信号，以便定位处理中心识别和处理。所述天线可以是但不限于UWB时域脉冲天线，WiFi接收天线，ZigBee接收天线和RF435接收天线，用于接收待定位标签发送的无线电信号，并向定位处理中心方向传送。所述天线通过连接部件与传输线连接。所述连接部件用于将天线接收到的电信号传送到传输线中，并叠加天线和传输线中已有的电信号，使叠加信号在传输线上向定位处理中心方向传送，其可以是但不限于三通接头、功分器和定向耦合器。

根据本实施例的所述设计方法设计的无线定位的多天线结构的工作原理如下。

在待定位区间内，待定位标签在工作频段上发送无线电信号，布置在待定位区间的多个天线分别接收所述无线电信号，并产生电信号，在同一条串行传输路径上叠加为时域信号，并经放大器放大后送至定位处理中心。由于任意两个天线之间的传输线长度大于最小传输线长度，任意两个天线对应的电信号的时间之差大于最小分辨时间，定位处理中心能够分辨并准确测量出任意两个天线对应的电信号的时间之差。所述时间之差包含两部分的时间，一是天线之间的传输线长度所导致的传输时延，另一个是待定位标签到不同天线的距离之差所导致的传播时延，而才是TDOA定位算法所需的参数。前者传输时延根据已知的任意两个天线之间的传输线长度计算获得，或者根据需要进行设计传输线的长度，使传输时延固定在指定数值而获得，后者传播时延通过公式：获得。定位处理中心根据各定位天线的已知位置和待定位标签到各定位天线之间的传播时延，经过TDOA定位算法计算后，即可获取待定位标签的位置。

上述提供的无线定位的多天线结构设计方法，先准确计算最小传输线长度，再逐次串行连接各天线及放大器，并且使任意两个天线之间的传输线长度大于最小传输线长度。在所述无线定位的多天线结构工作时，定位处理中心足够分辨各个信号并测量出任意两个天线对应信号的时间之差，以便通过TODA算法进行定位计算。所述无线定位的多天线结构设计方法采用串行传输设计，相比较于并行传输设计，节省了传输线的长度和至少一个放大器，降低了无线定位的系统的成本，同时也简化了传输线的走线布局。

如上所述，可较好的实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的无线定位的多天线结构及设计方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：传输线和逐次串行连接在传输线上的至少两个天线(2)；

任意两个天线之间的传输线长度大于最小传输线长度；

所述最小传输线长度为L_Min，与信号最大拖尾时间TL_Max和待定位区间的最大移动距离ML_Max满足关系：

当传输线为同轴电缆时，

$L_{Min}=\frac{c\·{\mathrm{TL}}_{Max}+{\mathrm{ML}}_{Max}}{c\·\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_c}}\×{10}^8$

式中，ε_c为同轴电缆的等效介电常数，c为光速；

当传输线为微带线时，

$L_{Min}=\frac{c\·{\mathrm{TL}}_{Max}+{\mathrm{ML}}_{Max}}{3.34c\·\sqrt{0.475{\mathrm{\ϵ}}_m+0.67}}\×{10}^9$

式中，ε_m为微带线的等效介电常数，c为光速。

2.如权利要求1所述的无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：

所述传输线连接有放大器(3)，所述放大器(3)的工作频段与天线(2)的工作频段匹配。

3.如权利要求1所述的无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：

所述天线(2)包括UWB时域脉冲天线，WiFi接收天线，ZigBee接收天线中的任意一种。

4.如权利要求1所述的无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：

所述天线(2)通过连接部件与传输线连接。

5.如权利要求4所述的无线定位的多天线结构，其特征在于，包括：

所述连接部件包括三通接头(4)、功分器(5)和定向耦合器(6)中的任意一种。

6.一种无线定位的多天线结构设计方法，其特征在于，包括：

确定信号最大拖尾时间TL_Max和待定位区间的最大移动距离ML_Max；

根据所述信号最大拖尾时间TL_Max和待定位区间的最大移动距离ML_Max确定最小传输线长度L_Min；

在待定位区间布置至少两个天线，将所述天线逐次串行连接在传输线上，任意两个天线之间的传输线长度大于所述最小传输线长度L_Min。

7.如权利要求6所述的无线定位的多天线结构设计方法，其特征在于，包括：

所述传输线为同轴电缆，所述最小传输线长度L_Min的计算公式如下：

$L_{Min}=\frac{c\·{\mathrm{TL}}_{Max}+{\mathrm{ML}}_{Max}}{c\·\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_c}}\×{10}^8$

式中，ε_c为同轴电缆的等效介电常数，c为光速。

8.如权利要求6所述的无线定位的多天线结构设计方法，其特征在于，包括：

所述传输线为微带线，所述最小传输线长度L_Min的计算公式如下：

$L_{Min}=\frac{c\·{\mathrm{TL}}_{Max}+{\mathrm{ML}}_{Max}}{3.34c\·\sqrt{0.475{\mathrm{\ϵ}}_m+0.67}}\×{10}^9$

式中，ε_m为微带线的等效介电常数，c为光速。