CN112332114B - 一种用于无线定位系统的微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线定位系统的微带阵列天线，包括由天线单元组成的天线阵列，天线阵列由四个及以上天线单元沿直线等距离排列组成，位于天线阵列两端的天线单元为虚阵元，剩余的天线单元为中间阵元，相邻天线单元之间及天线阵列四周均竖直分布隔离条。本发明对辐射板形状进行改进，增加了天线阵列两端的虚阵元并且在天线单元之间和天线阵列四周的增设矩形隔离条，减小了阵元间耦合、提高阵元交叉极化性能，提高阵元间大角度范围的相位一致性从而提高定位系统的定位精度。

Description

一种用于无线定位系统的微带阵列天线
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微带阵列天线。
背景技术
随着无线通信、物联网、智慧工业等技术的发展，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的定位(GNSS)，由于受到墙体等障碍物影响，室内环境卫星信号非常弱，无法提供定位能力。目前主要的室内定位技术有蓝牙、RFID、Wi-Fi、UWB定位等方式。
在定位系统中，多数的定位都是通过测量获得的。天线是定位系统中最前端接收信息的载体，因此天线的测量精度直接影响最终的位置估计精度。在定位技术中采用基于角度估计的定位方式，对定位系统相位一致性有很高的要求，因此提高前端接收阵列阵元的相位一致性能够提升定位系统的定位精度。
申请公布号为CN 109301435 A(公开日2019.02.01)的一项名称为“阵列天线”的发明专利：其公开了一种反射板以及多个辐射单元直线排列的阵列天线，仅仅在阵列天线两侧增加隔离板以增加辐射电流路径，在相邻辐射单元之间增加隔离条以提高隔离度，但是并没有提及为提高相位一致性所做的努力。
发明内容
本发明旨在提高阵列阵元间大角度范围内的相位一致性，提高定位系统的定位精度，提供了一种用于无线定位系统的微带阵列天线，包括如下的技术方案：
一种用于无线定位系统的微带阵列天线，包括天线单元及天线阵列，天线阵列为由天线单元组成的直线阵，位于直线阵两端的两个天线单元为虚阵元，剩余的天线单元为中间阵元，天线单元的阵列方向和非阵列方向均设有隔离条。中间阵元作为定位系统的工作天线，通过中间阵元测得的信号构造出虚阵元信号，扩大了阵列的孔径，降低主瓣宽度以提高方位的精确度，同时两端虚阵元使天线阵列的中间阵元所处环境相对一致，提高了天线阵列中中间阵元的相位一致性。隔离条阻挡阵元间部分空间辐射波，减小天线阵元的耦合量，提高天线单元的隔离度，提高了天线阵列的交叉极化性能。
作为优选，天线单元包括设于顶层的辐射板，设于中间的耦合馈电板和置于底层的信号传输板。
作为优选，辐射板的上表面设有矩形金属片，且金属片以矩形中点为中心呈辐射状等间隔开有矩形槽。辐射板上的金属片用于接收和发送射频信号，金属片上开有的矩形槽使得金属片在工作频段上小型化，减小了天线单元的耦合量，减小了耦合对相位一致性的影响。
作为优选，耦合馈电板由第一耦合馈电板和第二耦合馈电板正交组成，第一耦合馈电板的一个表面对称设有耦合馈电金属片，另一个表面上无金属片覆盖，第二耦合板表面也无金属片覆盖。耦合馈电金属片便于射频连接器焊接，克服天线输入阻抗的电感性加强而影响天线带宽的问题。第一耦合馈电板具有馈电及支撑连接功能，第二耦合馈电板具有支撑连接功能。
作为优选，耦合馈电金属片为倒L型。
作为优选，信号传输板上表面印制有差分馈电网络金属片，且差分馈电网络金属片与耦合馈电金属片相连接，信号传输板下表面设有与辐射板相对设置的金属地。差分馈电采用两个端口同时馈电，馈入幅度相等、相位相反的信号，能够激励起天线的辐射模式，减小能量的损耗。
作为优选，差分馈电网络金属片的馈电网络采用T型等功分网络。
作为优选，隔离条的形状为矩形，隔离条由金属材料制成或由一个表面覆有金属片的PCB板制成。
作为优选，天线阵列的相邻天线单元间隔为中心频率的半个波长至一个波长。
作为优选，天线阵列的极化方式为线极化，天线阵列的极化方向为垂直极化、水平极化或与地面夹角45度极化。
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.通过增加天线单元阵列方向及非阵列方向的隔离条，阻挡部分空间辐射波，提高了天线阵列的交叉极化性能；
2.馈电方式采用差分馈电方式，激励起天线的辐射模式，减小能量的损耗，提高了交叉极化性能；
3.改进天线单元辐射贴片设计减小了天线单元的耦合量，减小了耦合对相位一致性的影响；
4.增设天线阵列两端的虚阵元，提高了中间阵元的相位一致性，扩大了阵列的孔径，提高定位的精确度；
附图说明
图1为本发明的一个实施例的天线单元结构示意图；
图2为本发明的一个实施例的天线单元耦合馈电板结构示意图；
图3为本发明的一个实施例的天线单元第一耦合馈电板倒L型耦合馈电结构示意图；
图4为本发明的一个实施例的天线单元差分馈电网络结构示意图；
图5为本发明的一个实施例的天线阵列结构示意图；
图6为本发明的一个实施例的无虚阵元天线阵元在-60度至60度角度范围相位差值图；
图7为本发明的一个实施例的有虚阵元天线阵元在-60度至60度角度范围相位差值图；
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。
本发明提供一种用于无线定位系统的微带阵列天线，包括天线阵列，该天线阵列由天线单元组成，天线单元包括设于顶层的辐射板，设于中间的耦合馈电板和置于底层的信号传输板，天线阵列由四个及以上天线单元沿直线等距离排列组成，位于天线阵列两端的天线单元为虚阵元，剩余的天线单元为中间阵元，相邻天线单元之间及天线阵列四周均竖直分布隔离条。
如图1所示，为本发明的天线单元结构示意图，天线单元包括设于顶层的辐射板1，设于中间的耦合馈电板3和置于底层的信号传输板4。辐射板1与信号传输板4中央开有通孔，耦合馈电板3插入上下两端通孔并通过焊接方式固定在辐射板1与信号传输板4中央。天线单元顶部的辐射板1优选采用FR4材料PCB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。辐射板1的上表面设有矩形金属片，且矩形金属片上等角度开有矩形槽2，以减小相应工作频段上辐射金属片表面的面积，辐射板1的下表面无金属覆盖。
如图2至图3所示，为天线单元的耦合馈电板3结构示意图，耦合馈电板3由第一耦合馈电板3.1与第二耦合馈电板3.2正交组成，第一耦合馈电板3.1与第二耦合馈电板3.2形状相同且垂直于信号传输板4。第一耦合馈电板3.1的同侧表面沿中线对称设有用于传输能量的倒L型耦合馈电金属片3.11，第一耦合馈电板3.1具有馈电功能和支撑连接功能，第二耦合馈电板3.2无金属片覆盖，仅具有支撑连接功能。倒L型耦合馈电板可以实现宽频带，也便于配合一体化生产工艺，实现工业量产。
如图4所示，为天线单元的信号传输板4结构示意图，信号传输板4上表面设有差分馈电网络金属片4.1，且差分馈电网络金属片4.1与耦合馈电金属片3.11相连接，差分馈电网络金属片4.1的合路阻抗线4.11输入端连接SMA连接器，信号传输板4下表面设有与辐射板1相对的金属地。信号传输板4优选采用RO4730材料PCB加工制作，工艺上厚度可选5.7mil、10.7mil、20.7mil、30.7mil、40.7mil和60.7mil，本实施例优选采用厚度为30.7mil的RO4730材料，该材料具有从射频到毫米波频率的优秀性能。差分馈电网络金属片4.1采用T型等功分网络，T型等功分网络的两个分路传输线4.12优选阻抗均为100欧姆，以对应天线输入阻抗，两个分路传输线4.12在中心频率的相位差为180度，合路阻抗线4.11为50欧姆，以对应射频连接器的输入阻抗，T型等功分网络将功率平均分配到各个输出端口，结构简单。
如图5所示，天线阵列为六个天线单元沿直线排列的天线阵列，两端的天线单元为虚阵元6，中间四个天线单元为中间阵元5，中间阵元过多时，会减小天线阵列的优势，降低虚阵元对于天线阵列孔径的增幅，而虚阵元过多，会增加噪声，提高旁瓣幅值，优选中间阵元数量为四个，虚阵元数量为两个。天线单元的阵列方向和非阵列方向均设有矩形隔离条7，隔离条7由一个表面覆有金属片的PCB板制成，优选采用FR4材料PCB加工制作，工艺上厚度可选0.8、1.0、1.2、1.6、2.0mm，本实施例优选采用1.0mm的厚度，此种材料具有较高的机械性能和介电性能，较好的耐热性和耐潮性，并有良好的机械加工性，隔离条7亦可以采用金属材料。天线单元间隔为中心频率的半个波长至一个波长。天线阵列的极化方式为线极化，天线阵列的极化方向为垂直极化、水平极化或与地面夹角45度极化。
结合图6至图7，图6为无虚阵元天线阵元在-60度至60度角度范围相位差值图，可以看出在-60度至60度范围内任意角度，天线阵元间相位差值小于15°，而由图7有虚阵元天线阵元在-60至60度角度范围相位差值图，可以得出在设置了虚阵元之后，天线阵元在-60度至60度范围内任意角度的相位差值均小于10°，天线阵元的相位一致性得到明显提升，提高了定位的精度。
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微带阵列天线，其特征在于：包括由天线单元组成的天线阵列，所述天线阵列由四个及以上所述天线单元沿直线等距离排列组成，位于所述天线阵列两端的所述天线单元为虚阵元，剩余的所述天线单元为中间阵元，相邻所述天线单元之间及所述天线阵列四周均竖直分布隔离条；所述天线阵列的极化方式为线极化，所述天线阵列的极化方向为垂直极化、水平极化或与地面夹角45度极化；
所述天线单元包括设于顶层的辐射板，设于中间的耦合馈电板和置于底层的信号传输板，所述信号传输板上表面设有差分馈电网络金属片，且所述差分馈电网络金属片与耦合馈电金属片相连接，所述差分馈电网络金属片的合路阻抗线输入端连接SMA连接器，所述信号传输板下表面设有与所述辐射板相对的金属地；
所述辐射板的上表面设有矩形金属片，且所述金属片以矩形中点为中心呈辐射状等间隔开有矩形槽。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的微带阵列天线，其特征在于：所述耦合馈电板由第一耦合馈电板和第二耦合馈电板正交组成，所述第一耦合馈电板的同侧表面沿中线对称设有耦合馈电金属片。
3.根据权利要求2所述的一种用于无线定位系统的微带阵列天线，其特征在于：所述耦合馈电金属片为倒L型。
4.根据权利要求3所述的一种用于无线定位系统的微带阵列天线，其特征在于：所述差分馈电网络金属片的馈电网络采用T型等功分网络。
5.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的微带阵列天线，其特征在于：所述隔离条的形状为矩形，且所述隔离条由金属材料制成或由一个表面覆有金属片的PCB板制成。
6.根据权利要求1所述的一种用于无线定位系统的微带阵列天线，其特征在于：所述天线阵列的相邻所述天线单元间隔为中心频率的半个波长至一个波长。
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