CN110911821A - 基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，属于天线技术领域，微系统包括天线阵列模块、移相衰减模块、功分模块、TR模块和波控模块；天线阵列模块包括若干UWB天线单元，移相衰减模块包括若干移相衰减通道；功分模块的若干功分端与移相衰减模块的若干移相衰减通道对应连接，功分模块公共端与TR模块双向连接；移相衰减通道的天线接口端与天线阵列模块中的若干UWB天线单元对应连接；波控模块与外部系统经波控模块的控制接口连接，波控模块输出端与移相衰减模块、TR模块连接。本发明系统抗干扰能力强，定位精度高，作用距离远，覆盖范围与适用领域广，且系统成本低。

Description

基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统。
背景技术
UWB定位技术与传统通信技术有极大的差异，它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。国际标准的UWB频率范围为3.1GHz～10.6GHz。UWB定位系统与蓝牙、RFID、Zigbee等传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供达到10cm级的精确定位精度，UWB技术已占据了室内定位技术的头把交椅。
现有的UWB定位基站通常采用固定波束天线形式，而我国UWB分配的频率范围为6GHz～9GHz，属于UWB频段的高频端，其脉冲的穿透性较差，对于出现目标位于定位基站波束范围边缘甚至波束之外的情况，定位精度将大幅下降。此外，UWB定位系统对发射功率有严格的要求，在很低的发射功率的情况下，也将影响定位精度，并且作用距离就不能太远，一般是小于100米。上述因素将导致定位系统对机场、车站、商场等开阔、大型、复杂的室内空间等场所的覆盖面临严重问题。为解决该定位问题，目前只能通过部署多个定位基站的形式，满足覆盖要求，但势必引入较高的成本，如何在不引入较高成本的基础上进一步保证UWB的定位精度、定位范围是目前亟需解决的问题。更进一步地，目前在微波部件装配工艺中，未将天线、供电等模块集成在一张PCB上，增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中UWB定位天线在大型空间定位精度下降、定位范围无法实现全区域覆盖的问题，提供了一种基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，微系统具体包括包括天线阵列模块、移相衰减模块、功分模块、TR模块和波控模块；所述天线阵列模块包括若干UWB天线单元，所述移相衰减模块包括若干移相衰减通道；所述功分模块的若干功分端与所述移相衰减模块的若干移相衰减通道对应连接，所述功分模块公共端与所述TR模块双向连接；所述移相衰减通道的天线接口端与所述天线阵列模块中的若干UWB天线单元对应连接；所述波控模块与外部系统经波控模块的控制接口连接，用于接收波束指向角度指令、收发工作模式切换指令和频率信息；所述波控模块输出端与所述移相衰减模块连接，进而配置天线模块中若干UWB天线单元所需的相位、幅度；所述波控模块输出端与所述TR模块连接，用于控制TR模块切换收发模式进而放大需要接收或者发射的射频信号。
具体地，所述微系统还包括滤波模块，所述滤波模块包括若干带通滤波电路；所述滤波模块的若干带通滤波电路一端与所述移相衰减模块的若干移相衰减通道一一对应连接，另一端与天线阵列模块的若干UWB天线单元一一对应连接。
具体地，所述TR模块包括第一收发切换开关、第二收发切换开关、低噪声放大电路和功率放大电路；所述第一收发切换开关的动端与所述TR模块的UWB信号射频接口连接，所述第一收发切换开关的不动端与低噪声放大电路输出端或功率放大电路输入端连接；所述第二收发切换开关的动端与所述功分模块的公共端连接，所述第二收发切换开关的不动端与低噪声放大电路输入端或功率放大电路输出端连接。
具体地，所述天线阵列模块的若干UWB天线单元等间隔设置。
具体地，所述移相衰减模块为基于矢量调制的模拟移相衰减体制的移相衰减模块。
具体地，所述微系统还包括供电模块，所述供电模块输出端分别与所述TR模块、波控模块、移相衰减模块连接，提供各模块工作所需电压。
具体地，所述微系统采用AoB架构集成在PCB微波多层电路板上，所述PCB微波多层电路板包括表层、底层和若干中间层。
具体地，所述PCB微波多层电路板的表层设有天线阵列模块接口，用于接入所述天线阵列模块。
具体地，所述PCB微波多层电路板的底层设有所述TR模块、波控模块、移相衰减模块、滤波模块和供电模块。
具体地，所述PCB微波多层电路板的表层与底层的各个所述模块之间的连接经所述PCB微波多层电路板的若干中间层实现垂直互连。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)本发明将相控阵体制应用于UWB系统，TR模块实现射频信号的放大，功分模块将射频信号分配不同的移相衰减通道，波控模块通过控制移相衰减模块中各移相衰减通道的幅相值，进而实现对各UWB天线单元的幅相配置，使天线阵列模块在指定方向合成高增益的窄波束向目标发射UWB射频信号或接收来自目标的UWB射频信号，抗干扰能力强，系统的作用覆盖范围达到150°，能够满足UWB系统对覆盖范围、作用距离的需求，大大减小系统成本，适用领域广。
(2)本发明移相衰减模块包括若干移相衰减通道，由波控模块根据不同的定位目标所需的波束指向角度、抗干扰要求，快速调整各个移相衰减通道的幅相值，并利用矢量调制的模拟移相衰减体制随量化数据密度获得的可达无穷小的移相精度与衰减精度，实现可快速切换的极高精度波束指向，波束指向的精度可达0.03°，满足UWB系统定位精度的需求，同时矢量调制器件的成本远低于数字移相器与数字衰减器，可大幅降低成本。
(3)本发明系统采用AoB架构集成在PCB微波多层电路板上，通过芯片级集成与封装，整个系统体积小，节省微波部件装配常用的微组装工序，大幅降低相控阵的装配复杂度、提高工作效率，同时降低了系统成本。
(4)本发明PCB微波多层电路板的表层设有天线阵列模块接口，直接对接布局工作频率符合系统要求的各UWB天线单元。
(5)本发明PCB微波多层电路板的表层设有天线阵列模块接口，底层设有TR模块、波控模块、移相衰减模块和供电模块包括的所有元器件，PCB微波多层电路板的表层与底层的各个所述模块之间的连接经所述PCB微波多层电路板的若干中间层实现垂直互连，去掉了各模块器件之间的连接器、结构腔体等，从元器件等物料成本以及生产制造成本等多方面实现系统的低成本化。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图中：
图1为本发明实施例1的系统框图；
图2为本发明实施例1的系统框图；
图3为本发明实施例1的系统的覆盖范围示意图；
图4为本发明实施例1的矢量调制幅相数据图；
图5为本发明实施例1的系统集成在PCB微波多层电路板的示意图；
图6为本发明实施例1的PCB微波多层电路板示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，在实施例1中，基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，系统具体包括TR模块、功分模块、波控模块、移相衰减模块、天线阵列模块、滤波模块和供电电路模块；供电电路模块为TR模块、波控模块、移相衰减模块提供不同的工作电压；TR模块与功分模块双向连接，功分模块与移相衰减模块连接，移相衰减模块与滤波模块双向连接，滤波模块与天线阵列模块双向连接；TR模块、移相衰减模块与所述波控模块输出端连接。更为具体地，更为具体地，微系统中的TR模块用于实现射频信号的放大，功分模块将射频信号分配至各个移相衰减通道，波控模块通过控制移相衰减模块中各移相衰减通道的幅相值，进而实现对各UWB天线单元的幅相配置，使天线阵列模块在指定方向合成高增益的窄波束，同时对其他方向波束赋形实现低副瓣特性，并在宽角空域范围内实现快速、连续切换扫描，向目标发射UWB射频信号或接收来自目标的UWB射频信号，大幅提升系统的作用距离和波束覆盖范围，适用领域广。
进一步地，如图2所示，TR模块包括第一收发切换开关、第二收发切换开关、低噪声放大电路和功率放大电路，第一收发切换开关的动端与TR模块的UWB信号射频接口连接，第一收发切换开关的不动端与低噪声放大电路输出端或功率放大电路输入端连接；第二收发切换开关的动端与功分模块的公共端连接，第二收发切换开关的不动端与低噪声放大电路输入端或功率放大电路输出端连接。当本发明系统需要接收信号时，波控模块控制第一收发切换开关的不动端与低噪声放大电路输出端连接，第二切换开关的不动端与低噪声功放电路的输入端连接，以放大接收信道接收到的目标信号实现射频信号的接收；当本发明系统需要发射信号时，波控模块控制第一收发切换开关的不动端与功率放大电路输入端连接，第二切换开关的不动端与功率放大电路的输出端连接，以放大发射信号的功率实现射频信号的发射。
进一步地，功分模块具体为1分64的功率分配网络，包括64个功分端口和1个公共端口，功分模块经其公共端口与TR模块双向连接，功分模块经其64个功分端口与移相衰减电路中64个移相衰减通道对应连接，以将信号分配至不同的移相衰减通道，实现UWB信号的信号收发。
进一步地，移相衰减模块中每一个移相衰减通道的馈电端与一个UWB天线单元对应连接，实现双向的信号传输。
进一步地，滤波模块包括64个带通滤波电路，每一个带通滤波电路与移相衰减通道、UWB天线单元对应连接，形成64个收发通道，用于滤除收发通道中的带外信号，符合系统应用的频率使用要求，本发明中的带通滤波电路允许6GHz～9GHz频段范围内的信号通过，符合中国法律规定的UWB系统频率使用范围。
进一步地，天线阵列单元包括64个UWB天线单元，形成64个收发通道的UWB高精度定位相控阵天线阵列，其中，天线单元为超宽带天线，工作频率覆盖3.1GHz～10.6GHz。
进一步地，波控模块具体为基于FPGA控制模块实现的波束指向控制电路与收发切换控制电路，波束控制电路与外部系统通信，接收外部系统对本发明微系统中天线阵列单元的波束指向角度指令与频率信息，波束控制电路根据该角度指令与频率信息，结合64个UWB天线单元的坐标位置，采用FPGA解算64个UWB天线单元在指定方向合成规定形状的波束所需的幅度与相位，控制移相衰减模块中64个移相衰减通道的幅相值，进而实现对天线阵列单元中64个UWB天线单元的幅相配置。通过64个UWB天线单元的相隔间距D的设计，根据无栅瓣波束扫描间距计算公式：
Figure BDA0002339367680000081
式中，D为天线单元之间的间距，λ为射频信号的波长，根据该式计算得到间距D≤17mm的天线单元布局下可使信号波束在旋转角0°～360°、离轴角θ＝75°的范围内电子扫描，使系统的作用覆盖范围达到150°，典型的波束指向与幅相配置如图3所示；同时，移相衰减模块采用矢量调制的模拟移相衰减体制，根据数据量化密度，在0°～360°相位范围内采用2°的移相步进与在0dB～30dB的衰减范围内0.5dB的衰减步进，根据矢量调制的移相精度
Figure BDA0002339367680000082
(最大值2°)与衰减精度σA(最大值0.5dB)，如图4所示，根据波束指向精度σΔθ计算公式：
Figure BDA0002339367680000083
由上式可知，计算得到N＝64个天线单元的阵列形成精准的幅相控制，使波束指向的精度可达0.03°，匹配UWB系统10cm级的定位精度；并且，利用FPGA高速解算以及矢量调制配置幅相，从1个波束位置切换到另一个波束位置的时间为us级，实现对目标的高效、快速、准确定位。
进一步地，供电模块还包括DC/DC转换电路，DC/DC转换电路将外部直流供电转换为TR模块、波控模块、移相衰减模块所需的各类电压，并分发传输至相应器件。
更进一步地，如图5所示，本发明系统采用AoB架构集成在一张PCB微波多层电路板上，PCB微波多层电路板包括表层、底层和若干中间层，通过芯片级集成与封装，整个系统体积小。
进一步地，PCB微波多层电路板的表层设有天线阵列模块接口，直接对接64个工作频率为3.1GHz～10.6GHz的超宽带UWB天线单元。
进一步地，PCB微波多层电路板的底层设有TR模块、波控模块、64个移相衰减电路和供电模块包括的元器件。更为具体地，PCB电路板的底层还设有控制接口与供电接口、UWB射频信号接口和DC/DC转换电路；波束控制指令信号与收发工作模式切换信号在PCB微波多层电路板内的控制线层传输，经PCB微波多层电路板内控制线层与底层之间的过孔垂直互连与底层的波束控制电路与收发切换控制电路连接；波束控制电路的输出端经底层与控制线层的垂直互连连接在PCB微波多层电路板内传输至各移相衰减通道的位置，再经底层与控制线层的垂直互连连接至底层的各移相衰减通道；收发切换控制电路的输出端经底层与控制线层的垂直互连连接在PCB微波多层电路板内传输至TR模块的收发切换开关位置，再经底层与控制线层的垂直互连连接至底层的2个收发切换开关；外部供电经供电接口进入PCB微波多层电路板内的供电层，与底层的DC/DC转换电路通过底层与供电层之间的垂直互连连接，转换后各模块所需的电压通过底层与供电层之间的垂直互连进入供电层，分配传输至各模块的位置，再通过底层与供电层之间的垂直互连连接至各所需供电的电路。其中，控制接口与供电接口共用一个连接器实现。
进一步地，如图6所示，PCB微波多层电路板的中间层包括天线GND层、隔离GND层、功分模块层(带状线功分网络)。更为具体地，PCB微波多层电路板的表层的64个天线阵列模块接口与底层的64个带通滤波电路通过PCB微波多层电路板内的贯穿过孔垂直互连连接；底层的64个带通滤波电路与64个移相衰减通道通过底层表面的传输线连接；底层的64个移相衰减通道与位于中间功分模块层的1分64功率分配网络的64个端口通过底层与功分模块层之间的过孔垂直互连连接；功分模块层的1分64功率分配网络的公共端与位于底层的TR模块的端口通过底层与功分模块层之间的过孔垂直互连连接；TR模块的对外接口位于底层的射频连接器。
进一步地，本微系统的工作原理如下：
当微系统处于向外发射UWB信号(6GHz～9GHz)时，波控模块根据此时接收到的发射工作模式指令，转发控制TR模块中的收发切换开关，使功率放大电路导通，而低噪声放大电路断开；UWB信号经UWB信号射频接口进入微系统发射通道，经TR模块中的功率放大电路对信号放大后，进入功分模块将信号分配至64个收发通道；波控模块根据此时接收到的对波束指向角度的要求，按照各UWB天线单元位置坐标，采用FPGA进行解算，得到各UWB单元天线在当前信号频率下，在指定角度方向合成规定形状的波束所需的幅度值与相位值，根据幅度值、相位值与矢量调制数据的对应关系，控制并配置各UWB天线单元对应的各移相衰减通道的幅度与相位；配置幅相后的UWB信号进入各带通滤波电路，对6GHz～9GHz频带外的信号进行抑制后馈入各UWB天线单元，通过64个UWB天线单元组成的阵列在空间按照指定的角度方向合成规定形状的波束。
当微系统处于接收来自一定角度方向目标的UWB信号(6GHz～9GHz)时，波控模块根据此时接收到的接收工作模式指令，转发控制TR模块中的收发切换开关，使其功率放大电路断开，而低噪声放大电路导通；通过64个UWB天线单元接收信号，进入各带通滤波电路，对6GHz～9GHz频带外的信号进行抑制后，进入各移相衰减通道；波控模块根据此时接收到的对波束指向角度的要求，按照各UWB天线单元位置坐标，采用FPGA进行解算，得到各UWB单元天线在当前信号频率下，在指定角度方向合成规定形状的波束所需的幅度值与相位值，根据幅度值、相位值与矢量调制数据的对应关系，控制并配置各移相衰减通道的幅度与相位，64个UWB天线接收的信号经幅相配置后在功分模块的64个输入端实现等幅同相；经功分模块高效合为1路信号进入TR模块，通过低噪声放大电路放大信号、抑制噪声后，经UWB信号射频接口输出。
本发明中TR模块实现射频信号的放大，功分模块将射频信号分配不同的收发通道，波控模块通过控制移相衰减模块中各移相衰减通道的矢量调制实现对各UWB天线单元的幅相配置，使天线阵列模块在指定方向合成规定形状的波束，向目标发射UWB射频信号或接收来自目标的UWB射频信号，波束可快速切换扫描，指向精度高，抗干扰能力强，能够满足系统对定位精度、覆盖范围、作用距离的需求，大大减小系统成本，适用领域广。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述微系统包括天线阵列模块、移相衰减模块、功分模块、TR模块和波控模块；所述天线阵列模块包括若干UWB天线单元，所述移相衰减模块包括若干移相衰减通道；
所述功分模块的若干功分端与所述移相衰减模块的若干移相衰减通道对应连接，所述功分模块公共端与所述TR模块双向连接；所述移相衰减通道的天线接口端与所述天线阵列模块中的若干UWB天线单元对应连接；所述波控模块与外部系统经波控模块的控制接口连接，用于接收波束指向角度指令、收发工作模式切换指令和频率信息；所述波控模块输出端与所述移相衰减模块连接，进而配置天线模块中若干UWB天线单元所需的相位、幅度；所述波控模块输出端与所述TR模块连接，用于控制TR模块切换收发模式进而放大需要接收或者发射的射频信号。
2.根据权利要求1所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述微系统还包括滤波模块，所述滤波模块包括若干带通滤波电路；所述滤波模块的若干带通滤波电路一端与所述移相衰减模块的若干移相衰减通道一一对应连接，另一端与天线阵列模块的若干UWB天线单元一一对应连接。
3.根据权利要求1所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述TR模块包括第一收发切换开关、第二收发切换开关、低噪声放大电路和功率放大电路；
所述第一收发切换开关的动端与所述TR模块的UWB信号射频接口连接，所述第一收发切换开关的不动端与低噪声放大电路输出端或功率放大电路输入端连接；所述第二收发切换开关的动端与所述功分模块的公共端连接，所述第二收发切换开关的不动端与低噪声放大电路输入端或功率放大电路输出端连接。
4.根据权利要求1所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述天线阵列模块的若干UWB天线单元等间隔设置。
5.根据权利要求1所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述移相衰减模块为基于矢量调制的模拟移相衰减体制的移相衰减模块。
6.根据权利要求1所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述微系统还包括供电模块，所述供电模块输出端分别与所述TR模块、波控模块、移相衰减模块连接，提供各模块工作所需电压。
7.根据权利要求1所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述微系统采用AoB架构集成在PCB微波多层电路板上，所述PCB微波多层电路板包括表层、底层和若干中间层。
8.根据权利要求7所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述PCB微波多层电路板的表层设有天线阵列模块接口，用于接入所述天线阵列模块。
9.根据权利要求7所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述PCB微波多层电路板的底层设有TR模块、波控模块、移相衰减模块和供电模块。
10.根据权利要求7所述的基于AoB相控阵体制的UWB高精度定位天线微系统，其特征在于：所述PCB微波多层电路板的表层与底层经所述PCB微波多层电路板的若干中间层垂直互连。
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