CN108649349B - 一种宽波束磁电偶极子天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波束磁电偶极子天线阵，包括功率分配器、金属地，介质板和设置于介质板上的至少一个天线单元；其中，天线单元包括：两个相对排列、垂直于介质板的寄生单极子；位于两个寄生单极子之间、相对排列垂直于介质板的两个竖直磁壁；固定于介质板上、位于所述竖直磁壁间的“Γ”形馈电结构，其通过介质板上的过孔连接于功率分配器；连接于寄生单极子下端与竖直磁壁下端之间的固定连接结构，用于将寄生单极子与竖直磁壁固定于介质板上；分别连接于两个所述竖直磁壁上端的两个向下弯折电偶极子。该天线阵具有宽波束超宽带的特点，提高了室内定位系统的有效定位范围。

Description

一种宽波束磁电偶极子天线阵

技术领域

本发明涉及定位系统领域，具体涉及一种宽波束磁电偶极子天线阵。

背景技术

室内定位作为卫星定位的辅助定位技术，近年来已经广泛应用于各个领域中，其商业化必将带来一波创新热潮。室内定位技术的实现方式有很多种，如红外线、超声波、蓝牙、WI-FI等，但是每一种技术都有自身无法克服的缺点。红外线室内定位技术传输距离短，易受墙体阻隔，容易受灯光干扰，实用性较低；超声波技术定位精度高，但是超声波受多径效应和非视距传播影响很大，并且成本太高；蓝牙技术虽然体积小，易于集成，但设备昂贵，稳定性差，受噪音信号干扰大；WI-FI技术精度高，易于安装，但是信号易被干扰，能耗高；目前能够较好解决上述所有问题的只有超宽带室内定位技术。

超宽带室内定位技术是一种全新的、与传统通信技术有着极大差异的、以极低功率在短距离内高速传输数据的无线通信技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，并且具有GHz量级的带宽。超宽带定位技术具有穿透能力强、传输速率高、带宽宽、低损耗、抗多径干扰、安全系数高、系统复杂度低、定位精度高等特点，完美的克服了其他室内定位系统的缺点，目前已经广泛的应用在VR游戏、安防、工业流水线、医院等领域中。超宽带定位算法中的到达角度定位、到达时间定位、和到达时间差定位等都要求系统中的天线具有优越的性能，因此超宽带室内定位系统中，收发信号的天线扮演着举足轻重的作用，天线的带宽、波束宽度、方向图对称程度等都决定着整个室内定位系统的性能。

磁电偶极子天线有着带宽宽、增益高、加工方便等特点，因而被广泛的应用在上述通信领域中。磁电偶极子天线由磁偶极子和电偶极子互补构成，天线方向图的E面和H面重合度高；超宽带也是磁电偶极子天线的一大特点。超宽带和对称方向图的特点使得磁电偶极子天线广泛应用于超宽带室内定位系统中。然而，目前室内定位系统中磁电偶极子天线仍存在有效定位范围不够大的缺点，提高天线的波束宽度往往又会导致天线的增益降低，因此，同时提高天线的增益和波束宽度，进而提高天线的室内有效定位范围也是各专家研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种宽波束超宽带磁电偶极子天线阵，以扩大现有技术在室内定位系统中的有效定位范围。

基于上述目的本发明提供的一种宽波束磁电偶极子天线阵，包括功率分配器、金属地和介质板，还包括设置于所述介质板上的至少一个天线单元；其中，所述天线单元包括：

两个相对排列、垂直于所述介质板的寄生单极子；

位于两个所述寄生单极子之间、相对排列垂直于所述介质板的两个竖直磁壁；

固定于所述介质板上、位于两个所述竖直磁壁间的“Γ”形馈电结构，其通过所述介质板上的过孔连接于所述功率分配器；

连接于所述寄生单极子下端与所述竖直磁壁下端之间的固定连接结构，用于将所述寄生单极子与所述竖直磁壁固定于所述介质板上；

分别连接于两个所述竖直磁壁上端的两个向下弯折电偶极子。

较优地，所述多个天线单元等距离并列排布。

可选地，所述向下弯折电偶极子在所述竖直磁壁处开始弯折或在末端开始弯折；较优地，所述向下弯折电偶极子弯折角大于0度小于90度。

较优地，所述向下弯折电偶极子在天线单元排列方向上的宽度与所述固定连接结构的宽度相同。

可选地，在所述连接于寄生单极子下端与所述竖直磁壁下端之间的固定连接结构上，还竖直设置有至少一个其它寄生单极子。

较优地，所述竖直磁壁在天线单元排列方向上的宽度与所述固定连接结构的宽度相同。

较优地，两个所述竖直磁壁垂直所述天线单元排列方向上的间距为5～9mm。

所述竖直磁壁与所述“Γ”形馈电结构之间非接触；较优地，所述竖直磁壁与所述“Γ”形馈电结构在垂直所述天线单元排列方向上的间隙为0.3～0.8mm。

可选地，所述天线单元中的向下弯折电偶极子、竖直磁壁、寄生单极子以及固定连接结构整体加工成型或组合成型。

本发明提供的一种宽波束磁电偶极子天线阵通过设置多个天线单元，增加了天线的增益，通过同时加载向下弯折的电偶极子和寄生单极子，在不降低天线增益的情况下，增加了天线阵的波束宽度；因此，本发明提供了一种能同时增加增益和波束宽度的天线阵，大大提高了室内定位的有效定位范围。

附图说明

图1为本发明实施例一种宽波束磁电偶极子天线阵的三维立体图；

图2为本发明实施例一种宽波束磁电偶极子天线阵的正视图；

图3为本发明实施例一种宽波束磁电偶极子天线阵介质板底面示意图；

图4为本发明实施例一种宽波束磁电偶极子天线阵的侧视图；

图5为本发明实施例一种宽波束磁电偶极子天线阵天线单元的局部放大图。

图6为本发明实施例一种宽波束磁电偶极子天线阵的反射系数与频率的变化曲线图。

图7为本发明实施例一种宽波束磁电偶极子天线阵的xoz面和yoz面的辐射方向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例的一种宽波束磁电偶极子天线阵，包括功率分配器、金属地和介质板1，还包括设置于介质板1上的至少一个天线单元；其中，天线单元包括：

两个相对排列、垂直于所述介质板的寄生单极子7、8；

位于两个寄生单极子之间、相对排列垂直于介质板的两个竖直磁壁5、6；

固定于介质板1上、位于两个竖直磁壁5、6间的“Γ”形馈电结构11，其通过介质板上的过孔连接于功率分配器；

连接于寄生单极子7、8下端与竖直磁壁5、6下端之间的固定连接结构9、10，用于将寄生单极子7、8与竖直磁壁5、6固定在介质板1上；

分别连接在两个竖直磁壁5、6上端的两个向下弯折电偶极子3、4。

上述天线单元为至少一个进行组合，其中天线单元越多得到的天线阵增益越高；若为多个天线单元，则等距离并列排布更优。

本发明磁电偶极子天线阵中向下弯折电偶极子既可以在竖直磁壁处开始弯折，此时弯折电偶极子末端保持水平；也可以在末端开始弯折，末端弯折时弯折电偶极子与竖直磁壁接触的部分保持水平；其中向下弯折电偶极子弯折角大于0度小于90度时，得到的天线阵波束宽度更宽，效果更好。

向下弯折电偶极子在天线单元排列方向上的宽度与固定连接结构的宽度相比可以相等也可以不相等；本发明为了加工方便，向下弯折电偶极子与固定连接结构在天线单元排列方向上宽度保持相等。

此外，本发明寄生单极子可以为两个也可以为两个以上，寄生单极子还可以固定在固定连接结构上并与竖直磁壁垂直，寄生单极子的数量和位置影响波束宽度，同时加载寄生单极子能够拓展天线的带宽。

较优地，两个竖直磁壁垂直于天线单元排列方向上的间距为5～9mm，竖直磁壁间的距离决定了天线的工作频段，距离越大，频率越小，距离太小，天线的性能又会变差。

竖直磁壁与“Γ”形馈电结构之间非接触，较优地，竖直磁壁与“Γ”形馈电结构在垂直天线单元排列方向上的间隙为0.3～0.8mm。

天线单元中的向下弯折电偶极子、竖直磁壁、寄生单极子以及固定连接结构可以整体加工成型也可以组合成型。

本发明还提供了该宽波束磁电偶极子天线阵实施例的更为详细实施方式，如图1-5所示，该宽波束磁电偶极子天线阵包括两个并列排布的天线单元、功率分配器、金属地2和介质板1；其中，天线单元包括：向下弯折电偶极子3、4，竖直磁壁5、6，寄生单极子7、8，固定连接结构9、10和“Γ”形馈电结构11、12。

其中，如图2所示，竖直磁壁5、6垂直于介质板1，对称分布在介质板y方向的中间位置，下端连接金属地2和固定连接结构9、10，两个竖直磁壁5、6在y方向上的水平距离为7mm，竖直磁壁的均高度为10.5mm。

竖直磁壁5、6的下端分别连接固定连接结构9、10，固定连接结构9、10的y方向上长度为4.7mm，x方向上的长度分别与竖直磁壁5、6相同，固定连接结构9、10上分别有3个螺丝固定孔18、19、20和15、16、17。螺丝孔的直径均为2mm。

向下弯折电偶极子3、4分别连接在竖直磁壁5、6上。向下弯折电偶极子3、4均在磁壁处开始向下弯折，弯折角度与水平面呈20度，并且其末端保持水平。

寄生单极子7、8分别固定在连接结构9、10的另一端，垂直于介质板，高度为6.3mm，x方向上的宽度与竖直磁壁5、6宽度相同。

“Γ”形馈电结构11、12由一个经过两次弯折的金属片形成，如图5所示，其整体高度为12.6mm，最下端y方向上的宽度为1mm，最下端插入到介质板内焊接固定。图1中金属片13、14为在介质板上固定“Γ”形馈电结构11、12的金属焊盘。

介质板1采用1.6mm的FR4介质板；介质板1中有15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26共9个螺丝固定孔，螺丝固定孔的直径为2mm。介质板上孔的位置、金属地上孔的位置和固定连接结构上孔的位置重合。介质板上的“Γ”形馈电结构11的焊接固定孔为34，孔34、35直径为1.2mm，34、35为金属化的过孔。

功率分配器采用微带线实现；功率分配器可分为5个部分。33为50欧姆的传输线部分，宽3mm，长14mm；29、30为100欧姆的传输线，宽0.4mm，长5.2mm；28、31为四分之一波长阻抗变换器，宽2.5mm，长5.6mm；27、32为微带功分器和天线“Γ”形馈电结构的连接部分。

向下弯折电偶极子3、4，竖直磁壁5、6，寄生单极子7、8，固定连接结构9、10，“Γ”形馈电11、12均采用金属板加工；其中向下弯折电偶极子3、4，竖直磁壁5、6，寄生单极子7、8和固定连接结构9、10整体加工成型。

“Γ”形馈电结构和功率分配器的连接通过介质板上的金属化过孔34、35连接；金属化过孔34内部附铜，“Γ”形馈电结构11一端插入金属化过孔延伸到介质板的下表面，功率分配器的金属片27和“Γ”形馈电结构11下端连接，使得能量能够从功率分配器传输到“Γ”形馈电结构；实际加工组装时，“Γ”形馈电结构用焊锡焊接在介质板，固定连接结构通过塑料螺丝固定在介质板上。

由图6可知，本发明提供的一种宽波束磁电偶极子天线阵在中心频率为6.5GHz时的-10dB带宽为2.3GHz，覆盖了5.3GHz-7.6GHz的频带范围；同时，由图7本发明宽波束磁电偶极子天线阵在中心频率为6.5GHz时xoz平面和yoz平面的辐射方向图可以看出，本发明宽波束磁电偶极子天线阵的3dB波束宽度为113度，增益为7.7dBi。

本发明提供的一种宽波束磁电偶极子天线阵通过设置多个天线单元，增加了天线的增益，通过同时加载向下弯折的电偶极子和寄生单极子，在不降低天线增益的情况下，增加了天线阵的波束宽度；因此，本发明提供了一种能同时增加增益和波束宽度的天线阵，大大提高了室内定位的有效定位范围。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种宽波束磁电偶极子天线阵，包括功率分配器、金属地和介质板，其特征在于，还包括设置于所述介质板上的至少一个天线单元，多个天线单元等距离并列排布；其中，所述天线单元包括：

两个相对排列、垂直于所述介质板的寄生单极子；

位于两个所述寄生单极子之间、相对排列垂直于所述介质板的两个竖直磁壁；所述寄生单极子的宽度与所述竖直磁壁的宽度相同；两个竖直磁壁的水平距离为7mm，高度为10.5mm；所述寄生单极子的高度为6.3mm；

固定于所述介质板上、位于两个所述竖直磁壁间的“Γ”形馈电结构，其通过所述介质板上的过孔连接于所述功率分配器；所述“Γ”形馈电结构的高度为12.6mm，宽度为1mm；所述竖直磁壁与所述“Γ”形馈电结构之间非接触；所述竖直磁壁与所述“Γ”形馈电结构在垂直所述天线单元排列方向上的间隙为0.3～0.8mm；

连接于所述寄生单极子下端与所述竖直磁壁下端之间的固定连接结构，用于将所述寄生单极子与所述竖直磁壁固定于所述介质板上；所述竖直磁壁在天线单元排列方向上的宽度与所述固定连接结构的宽度相同；

分别连接于两个所述竖直磁壁上端的两个向下弯折电偶极子；所述向下弯折电偶极子在所述竖直磁壁处开始弯折或在末端开始弯折，且弯折角大于0度小于90度；所述向下弯折电偶极子在天线单元排列方向上的宽度与所述固定连接结构的宽度相同；

所述向下弯折电偶极子、竖直磁壁、寄生单极子以及固定连接结构整体加工成型或组合成型。

2.根据权利要求1所述的一种宽波束磁电偶极子天线阵，其特征在于，在所述连接于寄生单极子下端与所述竖直磁壁下端之间的固定连接结构上，还竖直设置有至少一个其它寄生单极子。

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