CN112332094B - 一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，包括缝隙天线单元，若干个所述缝隙天线单元沿直线排列组成天线阵列，相邻所述缝隙天线单元之间设有隔断金属片，相邻缝隙天线单元的间隔为天线中心频率的半波长，缝隙天线单元包括金属反射腔和安装在金属反射腔开口处的缝隙辐射板，缝隙辐射板通过SMA连接器连接U型耦合馈电传输线。本发明通过隔断金属片，有效减小缝隙天线单元之间电磁波的串扰，通过金属反射腔，有效增强信号强度，采用U型耦合馈电传输线结构，能够在宽频带范围内提供理想的阻抗匹配，本发明结构简单、安装方便，天线交叉极化好，阵元相位一致性高，并能解决天线工作频带窄的问题。

Description

一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通信天线领域，尤其是一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线。
背景技术
随着新通信技术、智慧智造等技术的发展，使得基于位置信息的服务和应用日益普及。无论是室内环境还是室外环境，对于快速准确的获得位置信息的需求日益迫切。室外定位技术主要是基于卫星系统的定位，室内定位技术种类较多，主要有蓝牙、RFID、Wi-Fi、UWB、超声波、激光等定位方式。
在大多数室内定位技术中，均需要通过天线接收无线电信号，天线的测量精度直接影响最终的位置估计精度。在基于A0A参数估计的室内定位系统中，天线除了须满足常用的通信指标外，还对天线阵元的相位一致性有很高的要求。因此提高定位系统前端接收天线阵列阵元的相位一致性，能够提升室内定位系统的定位精度。
申请公布号为CN 104752820 A发明名称为“一种背腔缝隙天线阵列”的中国专利，于2015.07.01公布了一种基于SIW工艺和介质谐振器结构的背腔缝隙天线阵列，引入背腔将缝隙双向辐射变成单向辐射以提高信号强度，但工作频带窄，且构造稍为复杂，不适合工业量产。
发明内容
本发明的旨在提供一种天线单元隔离度高，相位一致性好的天线及天线阵列，包括如下的技术方案：
一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，包括缝隙天线单元和由缝隙天线单元沿直线排列组成的天线阵列，相邻缝隙天线单元之间设有隔断金属片，且相邻缝隙天线单元之间间隔为半个波长至一个波长。隔断金属片能有效减小缝隙天线单元之间电磁波的串扰，提高缝隙天线单元的隔离度。
作为优选，缝隙天线单元包括四方体形的金属反射腔，该金属反射腔一面开口，开口处安装缝隙辐射板，缝隙辐射板上部固定连接有SMA连接器，并通过该SMA连接器连接一根耦合馈电传输线，该耦合馈电传输线对应安置在缝隙辐射板的辐射缝隙上方。
作为优选，缝隙辐射板由表层的耦合馈电板、中间的PCB板和底层的辐射金属片复合而成，辐射金属片中央开有辐射缝隙。
作为优选，耦合馈电传输线形状为U型。U型耦合馈电结构能够解决线极化天线的工作带宽主要受阻抗带宽的限制问题，达到增加带宽的目的。
作为优选，缝隙天线单元数量为四个。
作为优选，缝隙辐射板的缝隙形状为矩形，且矩形的长度约为缝隙天线单元中心频率的1/2波长。
作为优选，金属反射腔为内凹四方体形腔体，且金属反射腔长度、宽度与缝隙辐射板的长度、宽度对应一致，金属反射腔的深度约为缝隙天线单元中心频率的1/4波长。
作为优选，缝隙辐射板的底层辐射金属片的尺寸小于缝隙辐射板的中间PCB板的尺寸，使得辐射金属片与金属反射腔之间非接触，相邻缝隙天线单元的辐射金属片之间非接触。
作为优选，缝隙辐射板采用一体化PCB板制作，金属反射腔采用一体化制作。
作为优选，缝隙天线单元极化方式为线极化。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1.在相邻缝隙天线单元之间增设隔断金属片，有效减小缝隙天线单元之间电磁波的串扰，提高缝隙天线单元的隔离度；
2.在缝隙辐射板下方增设金属反射腔，有效增强信号强度，提高天线增益；
3.采用U型耦合馈电传输线结构，能够在宽频带范围内提供理想的阻抗匹配，使得缝隙天线单元的工作频带更宽；
4.缝隙辐射板与金属反射腔均为一体化制作，体积小、加工简单、安装方便，适合工业量产。
附图说明
图1为本发明实施例的缝隙天线单元结构示意图；
图2为本发明实施例的缝隙天线单元驻波曲线；
图3为本发明实施例的缝隙天线单元中心频率E面辐射方向图；
图4为本发明实施例的缝隙天线单元中心频率H面辐射方向图；
图5为本发明实施例的天线阵列结构示意图；
图6为本发明实施例的缝隙天线阵列中心频率处阵元相位一致性图。
附图标记：1缝隙辐射板、2金属反射腔、3辐射金属片、3.1辐射缝隙、4SMA连接器、5U型耦合馈电传输线、6隔断金属片、7缝隙天线单元。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明提供了一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，包括缝隙天线单元，若干个缝隙天线单元沿直线排列组成天线阵列，相邻缝隙天线单元之间设有隔断金属片，相邻缝隙天线单元的间隔约为天线中心频率的半个波长至一个波长。
如图1所示，为本发明实施例的缝隙天线单元结构示意图。缝隙天线单元包括金属反射腔2和缝隙辐射板1。其中，金属反射腔2为内凹四方体形腔体，且金属反射腔2一面开口，开口处安装缝隙辐射板1；金属反射腔2的长度、宽度与缝隙辐射板1的长度、宽度对应一致，金属反射腔2的深度约为缝隙天线单元中心频率的1/4波长，金属反射腔2能够有效增强信号强度，提高天线增益。缝隙辐射板1由表层的耦合馈电传输线、中间的PCB板和底层的辐射金属片3复合而成。其中表层的耦合馈电传输线优选采用U型耦合馈电传输线5，该U型耦合馈电传输线5对应安置在缝隙辐射板1的辐射缝隙上方，U型耦合馈电传输线5能够在宽频带范围内提供理想的阻抗匹配，调整U型耦合馈电传输线5各个枝节的长度、宽度尺寸与辐射金属片3中央的矩形辐射缝隙3.1阻抗匹配以达到增加带宽的目的；中间的PCB板优选采用FR4材料加工制作，工艺上厚度可选0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm，本实施例优选采用1.0mm的厚度；底层的辐射金属片3的尺寸小于缝隙辐射板1的尺寸，使得该辐射金属片3与金属反射腔2之间非接触，辐射金属片3中央开有矩形辐射缝隙3.1且辐射缝隙3.1的长度约为中心频率的1/2波长。缝隙辐射板1上部焊接有SMA连接器4以便于缝隙天线单元与后端射频电路板固定，并通过该SMA连接器4连接U型耦合馈电传输线5。缝隙天线单元极化方式为线极化，本实施例中缝隙天线为垂直线极化。
如图2所示，为本实施例缝隙天线单元的驻波曲线，驻波小于1.5的频带范围为2.16GHz-2.96GHz，缝隙天线单元绝对带宽达到800MHz，相对于中心频率的相对带宽达到30％，若以驻波小于2.0为标准，缝隙天线单元绝对带宽大于1GHz，远大于普通缝隙天线能达到的带宽范围。
如图3所示，为本发明实施例的缝隙天线单元中心频率E面辐射方向图，缝隙天线单元在E面辐射方向图在-50°至50°角度空间范围交叉极化电平小于-40dB，可见，相较于常用天线本发明的缝隙天线单元交叉极化性能更好。
如图4所示，为本发明实施例的缝隙天线单元中心频率H面辐射方向图，缝隙天线单元在H面辐射方向图在-50°至50°角度空间范围交叉极化电平小于-20dB，可见，相较于常用天线本发明的缝隙天线单元交叉极化性能更好。
如图5所示，为本发明实施例的天线阵列结构示意图，本实施例中天线阵列为由四个缝隙天线单元7沿直线排列组成的直线阵，相邻缝隙天线单元7之间设有隔断金属片6且相邻缝隙天线单元7之间间隔约为中心频率的半个波长至一个波长，本实施例优选为半个波长。缝隙辐射板1与金属反射腔2均采用一体化制作，排成天线阵列时直接卡接或焊接，加工简单、安装方便。天线阵列中四个开有矩形缝隙的辐射金属片3之间无连接，四个开有矩形缝隙的辐射金属片3与金属反射腔2之间无连接，隔断金属片6能有效减小缝隙天线单元之间电磁波的串扰，提高缝隙天线单元的隔离度。
如图6所示，为本发明实施例的缝隙天线阵列中心频率处阵元相位一致性图。本实施例天线阵列在中心频率处四个阵元在在H面辐射方向-60°至60°角度范围内任意角度时四个缝隙天线阵元间相位差值均小于10°，天线阵元相位一致性高。
与现有技术相比本发明采用U型耦合馈电传输线与开有矩形缝隙的辐射金属片进行阻抗匹配，使得缝隙天线单元能够在30％相对带宽下达到1.5的驻波系数，天线工作频带宽，天线交叉极化低；本发明提供的缝隙天线的E面辐射方向图在-50°至50°角度空间范围交叉极化电平小于-40dB，H面辐射方向图在-50°至50°角度空间范围交叉极化电平小于-20dB，交叉极化性能远好于常用天线单元；本发明提供的缝隙天线阵列在H面辐射方向-60°至60°角度范围内任意角度时四个缝隙天线阵元间相位差值均小于10°，天线阵元相位一致性高。本发明提供的缝隙天线阵列辐射板采用一体化加工，金属反射腔2采用一体化制作，缝隙天线阵列的安装仅需将一体化阵列辐射板与一体化金属反射腔2固定，结构简单、易加工、易安装，适用于工业量产。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，其特征在于：包括缝隙天线单元，若干个所述缝隙天线单元沿直线排列组成天线阵列，相邻所述缝隙天线单元之间设有隔断金属片，相邻缝隙天线单元的间隔为天线中心频率的半个波长至一个波长；其中，所述缝隙天线单元包括四方体形的金属反射腔，该金属反射腔一面开口，开口处安装缝隙辐射板且所述缝隙辐射板采用一体化PCB板制作，所述金属反射腔采用一体化制作；
所述缝隙辐射板由表层的耦合馈电传输线、中间的PCB板和底层的辐射金属片复合而成，所述辐射金属片中央开有辐射缝隙；
所述缝隙辐射板上部固定连接有SMA连接器，并通过该SMA连接器连接一根耦合馈电传输线，该耦合馈电传输线对应安置在辐射缝隙上方，且耦合馈电传输线形状为U型，调整耦合馈电传输线各个枝节的长度、宽度尺寸与辐射金属片中央的矩形辐射缝隙阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，其特征在于：所述缝隙天线单元数量为四个。
3.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，其特征在于：所述缝隙辐射板的辐射缝隙形状为矩形，且矩形的长度为所述缝隙天线单元中心频率的1/2波长。
4.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，其特征在于：所述金属反射腔为内凹四方体形腔体，且所述金属反射腔的长度、宽度与所述缝隙辐射板的长度、宽度对应一致，所述金属反射腔的深度为所述缝隙天线单元中心频率的1/4波长。
5.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，其特征在于：所述缝隙辐射板底层的辐射金属片的尺寸小于所述缝隙辐射板中间的PCB板的尺寸，使得所述辐射金属片与所述金属反射腔之间非接触，相邻所述缝隙天线单元的所述辐射金属片之间非接触。
6.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的缝隙阵列天线，其特征在于：所述缝隙天线单元极化方式为线极化。
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