CN113161749A - 一种用于uwb定位系统的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于UWB定位系统的天线，包括介质基板，所述介质基板的上层设有三个天线模块，所述介质基板的下层设有金属地板，所述金属地板上连接有一连接器，所述连接器包括连接器地板和设置在所述连接器地板上的信号引脚，每个所述天线模块分别包括辐射贴片、阻抗匹配传输线和共面波导传输线，所述共面波导传输线包括信号线和设置在所述信号线两边的地线，且在所述地线上设置多个导电通孔，所述辐射贴片通过所述阻抗匹配传输线与所述信号线连接，所述信号线的另一端与所述连接器的所述信号引脚连接，所述地线通过所述导电通孔与所述连接器地板连接。本发明具有小型化、高增益、高隔离度、轻薄、成本低、抗干扰能力强等优点。

Description

一种用于UWB定位系统的天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于UWB定位系统的天线。
背景技术
UWB定位系统指利用UWB超宽带系统的穿透性强、低功耗、抗多径干扰能力强、保密性好等特性，对室内静止或移动物体进行精准定位或导航。而UWB 超宽带系统主要利用纳秒级的窄脉冲实现较高速的数据传输，且功耗低、安全性高，适合用于室内精准定位。UWB超宽带系统的工作频带为3.1-10.6GHz，而常用频带为CH5(6.24-6.74GHz)和CH9(7.73-8.23GHz)频段，工作带宽为 500MHz。目前UWB定位系统的主要应用领域有：物流监管系统、矿井人员定位、地下车库停车等等，具有广泛的应用价值和前景。
目前，常见的UWB定位方法主要包括基于到达时间定位(TOA)、到达时间差定位(TDOA)、到达定位(AOA)、接收信号强度定位(RSS)等方法。其中，TOA和TDOA方法需要计算标签与三个以上基站之间的时间或时间差，从而估算标签的精准位置；而AOA方法则需要计算标签与两个以上基站之间的路程差，得到到达角度，从而粗略估算标签位置。而针对于移动终端产品，需要标签天线具有抗干扰能力强、小型化、增益高、隔离度高、定位精度好等诸多要求，用于移动终端UWB定位系统的天线设计具有较高的难度和挑战。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
针对目前UWB定位天线的技术和经验不足，本发明提供一种用于UWB定位系统的天线，具有小型化、高增益、高隔离度、轻薄、成本低、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于各种移动终端系统中。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种用于UWB定位系统的天线，包括介质基板，所述介质基板的上层设有三个天线模块，所述介质基板的下层设有金属地板，所述金属地板上连接有一连接器，所述连接器包括连接器地板和设置在所述连接器地板上的信号引脚，每个所述天线模块分别包括辐射贴片、阻抗匹配传输线和共面波导传输线，所述共面波导传输线包括信号线和设置在所述信号线两边的地线，且在所述地线上设置多个导电通孔，所述辐射贴片通过所述阻抗匹配传输线与所述信号线连接，所述信号线的另一端与所述连接器的所述信号引脚连接，所述地线通过所述导电通孔与所述连接器地板连接。
优选地，三个所述天线模块分别印刷在所述介质基板的上层，所述金属地板印刷在所述介质基板的下层。
优选地，三个所述天线模块的三个所述辐射贴片之间呈L型排布，其中设置在两端的所述辐射贴片为接收天线，设置在中间的所述辐射贴片为发射天线。
优选地，设置在两端的所述辐射贴片的侧边各自与设置在中间的所述辐射贴片的侧边的间距分别为17mm。
优选地，三个所述天线模块的三个所述辐射贴片之间呈等边三角形排布，其中两个所述辐射贴片为接收天线，一个所述辐射贴片为发射天线。
优选地，所述阻抗匹配传输线的长度为工作波长的1/4。
优选地，所述阻抗匹配传输线连接在偏离所述辐射贴片的中心预设距离位置处。
优选地，所述信号线的线宽为0.3mm，所述信号线与两边的所述地线的间隙分别为0.1mm。
优选地，三个所述天线模块的三个所述辐射贴片的中心分别开设十字架型的槽。
优选地，所述介质基板的厚度为0.1～0.4mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明中所提供的天线的介质基板上设置三个天线模块，其中一个天线模块可以用作发射天线，两个天线模块可以作为接收天线，可使得定位系统以最少的天线，最简单的系统结构，实现多目标的探测和三维定位，实现了小型化、高增益、高隔离度、轻薄、成本低、抗干扰能力强，可广泛应用于各种移动终端系统中。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的用于UWB定位系统的天线的结构图；
图2是图1中的连接器的结构图；
图3是本发明优选实施例提供的天线的仿真回波损耗曲线图；
图4是本发明优选实施例提供的天线的仿真隔离度曲线图；
图5是本发明优选实施例提供的天线的仿真增益曲线图；
图6是本发明优选实施例提供的天线的仿真效率曲线图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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，术语“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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1和图2所示，本发明优选实施例公开了一种用于UWB定位系统的天线，包括介质基板1，介质基板1的上层印刷有三个天线模块，介质基板1的下层印刷有金属地板5，金属地板5上连接有一连接器10，连接器10包括连接器地板102和设置在连接器地板102上的信号引脚1011、1012、1013，每个天线模块分别包括辐射贴片21、22、23、阻抗匹配传输线31、32、33和共面波导传输线41、42、43，共面波导传输线41、42、43分别包括信号线71、72、73和设置在信号线两边的地线81、82、83，且在地线81、82、83上加载分布均匀的导电通孔9；辐射贴片21、22、23在中心处分别开有十字架槽61、62、63(通过开设十字架槽61、62、63可以使得辐射贴片21、22、23覆盖特定频率范围)，并通过阻抗匹配传输线31、32、33与共面波导传输线41、42、43的信号线71、 72、73连接；信号线71、72、73的另一端与连接器10的信号引脚1011、1012、 1013连接，地线81、82、83通过导电通孔9与连接器地板102连接，其中图1 所示的上部分为天线的俯视图，下部分为天线的厚度方向的剖面图。
设置在中间的辐射贴片21与设置在两端的辐射贴片22和辐射贴片23的间距分别为17mm(其中的间距是指两个辐射贴片的相邻侧边之间的距离)，且三个辐射贴片21、22、23的摆放方式呈L型，其中设置在中间的辐射贴片21用作发射天线，设置在两端的辐射贴片22、23用作接收天线。
阻抗匹配传输线31、32、33分别连接在偏离辐射贴片21、22、23的中心处一定距离的位置处，且其长度分别为1/4工作波长。
共面波导传输线41、42、43的信号线71、72、73的线宽为0.3mm，与两边的地线81、82、83之间的间隙分别为0.1mm。且共面波导传输线41、42、43 的信号线71、72、73各自相互隔离，在本实施例中，地线81、82共用一段金属地板，可以同时接地。
连接器10位于介质基板1的下方，并与介质基板1紧贴，也即连接器10 紧贴在金属地板5上。
在本实施例中，该天线的总尺寸为47mm×32mm×0.4mm，介质基板1采用液晶聚合物(LCP)材料制成，主要工作频段为UWB频带中的CH5和CH9 频段。相比于传统的UWB移动终端天线，本发明天线具有抗干扰能力强、小型化、增益高、隔离度高、定位精度好等诸多优点，适合应用于各种移动终端产品中。
如图3所示，是本发明优选实施例的天线的仿真回波损耗曲线图，其中ANT1 表示天线1(辐射贴片21)，ANT2表示天线2(辐射贴片22)，ANT3表示天线 3(辐射贴片23)；从图中可以看出该天线实现了双频性能，且中心频点基本在 6.5GHz和8GHz附近，基本满足要求；
如图4所示，是本发明优选实施例提供的天线的仿真隔离度曲线图，其中图中S后面的数字1、2、3分别代表天线1(辐射贴片21)、天线2(辐射贴片22) 和天线3(辐射贴片23)，也即S21为正向传输系数，也就是增益，S31表示近端串扰，S32表示远端串扰，从图中可以看出该天线的隔离度基本在24.5以上，表明三个天线之间的干扰很小。
如图5所示，是本发明优选实施例提供的天线的仿真增益曲线图，其中ANT1 表示天线1(辐射贴片21)，ANT2表示天线2(辐射贴片22)，ANT3表示天线 3(辐射贴片23)；从图中可以看出该天线的增益均在1dBi以上，具有较大的辐射范围，并能减少接收机的功耗。
如图6所示，是本发明优选实施例提供的天线的仿真效率曲线图，其中ANT1 表示天线1(辐射贴片21)，ANT2表示天线2(辐射贴片22)，ANT3表示天线 3(辐射贴片23)；从图中可以看出该天线的效率均在25％以上，满足实际需要。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于UWB定位系统的天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的上层设有三个天线模块，所述介质基板的下层设有金属地板，所述金属地板上连接有一连接器，所述连接器包括连接器地板和设置在所述连接器地板上的信号引脚，每个所述天线模块分别包括辐射贴片、阻抗匹配传输线和共面波导传输线，所述共面波导传输线包括信号线和设置在所述信号线两边的地线，且在所述地线上设置多个导电通孔，所述辐射贴片通过所述阻抗匹配传输线与所述信号线连接，所述信号线的另一端与所述连接器的所述信号引脚连接，所述地线通过所述导电通孔与所述连接器地板连接。
2.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，三个所述天线模块分别印刷在所述介质基板的上层，所述金属地板印刷在所述介质基板的下层。
3.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，三个所述天线模块的三个所述辐射贴片之间呈L型排布，其中设置在两端的所述辐射贴片为接收天线，设置在中间的所述辐射贴片为发射天线。
4.根据权利要求3所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，设置在两端的所述辐射贴片的侧边各自与设置在中间的所述辐射贴片的侧边的间距分别为17mm。
5.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，三个所述天线模块的三个所述辐射贴片之间呈等边三角形排布，其中两个所述辐射贴片为接收天线，一个所述辐射贴片为发射天线。
6.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，所述阻抗匹配传输线的长度为工作波长的1/4。
7.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，所述阻抗匹配传输线连接在偏离所述辐射贴片的中心预设距离位置处。
8.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，所述信号线的线宽为0.3mm，所述信号线与两边的所述地线的间隙分别为0.1mm。
9.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，三个所述天线模块的三个所述辐射贴片的中心分别开设十字架型的槽。
10.根据权利要求1所述的用于UWB定位系统的天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.1～0.4mm。
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