CN113871863B - 三叉切角分形阵列室内定位信标天线 - Google Patents

三叉切角分形阵列室内定位信标天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三叉切角分形阵列室内定位信标天线，它包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板以及贴覆在基板正面的三叉切角阵列辐射贴片；所述三叉切角阵列辐射贴片包括3个三叉切角分形单极子天线，三叉切角分形单极子天线按照直线阵列结构排列形成天线阵列；所述天线接地板在全导电接地板上采用缺陷地结构，天线接地板上刻蚀有矩形槽，并加入圆形寄生辐射贴片。本发明的目的在于提供一种具有稳定的超宽带室内定位频带工作性能的三叉切角分形阵列室内定位信标天线。本发明的优点在于：本发明将引向天线微带化，实现了二维平面型微带引向辐射结构的设计，实现引向天线的小型化和低剖面化，有效缩小天线尺寸，减轻天线重量。

Description

三叉切角分形阵列室内定位信标天线
技术领域
本发明涉及室内定位信标天线领域，特别是一种三叉切角分形阵列室内定位信标天线。
背景技术
随着现代化无线通信技术的高速发展，定位技术与导航技术正向一个多样性的时代迈进，在日常生活中人们需要通过导航技术进行相互沟通与信息交流，在科学与军事领域中专家们需要通过定位技术进行某些空间位置的预测，尤其更适用于视野开阔的场地，室外定位技术的成熟与广泛应用也促进了室内定位技术的发展与研究。
时至今日，世界上已经发现了很多先进和性能较好的室内定位技术，已广泛应用于无人商店、仓库、医疗、仓储设备监控等领域。例如有WiFi室内定位、蓝牙室内定位、红外线室内定位、射频室内定位等，但这些定位技术都存在着各自的缺点，超宽带定位技术(UWB)是近些年来逐步发展起来的一种新型的无线定位技术，UWB在短距离内高速传输数据有着极低的功率优势，它的组成包括接收器、参考标签和主动标签，对室内环境来说，超宽带技术相比于其他定位技术会有其独特的优势，比如，功耗低，抗衰减性能强，设备结构简单等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有稳定的超宽带室内定位频带工作性能，抗干扰能力强、功耗小，能够精确定位，尺寸小，辐射强度高，极小的回波损耗，性能冗余充足的三叉切角分形阵列室内定位信标天线。
本发明的目的通过如下技术方案实现：一种三叉切角分形阵列室内定位信标天线，它包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板以及贴覆在基板正面的三叉切角阵列辐射贴片；所述三叉切角阵列辐射贴片包括3个三叉切角分形单极子天线，三叉切角分形单极子天线按照直线阵列结构排列形成天线阵列；所述天线接地板在全导电接地板上采用缺陷地结构，天线接地板上刻蚀有矩形槽，并加入圆形寄生辐射贴片。
较之现有技术而言，本发明的优点在于：本发明将引向天线微带化，实现了二维平面型微带引向辐射结构的设计，实现引向天线的小型化和低剖面化，有效缩小天线尺寸，减轻天线重量。与用于定位信标的常规天线比较，本发明天线尺寸较小，能够放入定位信标内部或贴覆在定位信标表面，二维平面型的天线结构能够实现与定位信标共形。
本发明在超宽带室内定位频段内使用直线三叉切角分形单极子天线阵列作为辐射结构，多个八边形切角分形辐射贴片的辐射叠加使天线具有有意的辐射性能和带宽性能，使用直线阵列排布方式组阵，增大了天线辐射强度；天线接地板采用缺陷地结构，通过削减接地板的结构改善天线的辐射特性，增加电流的有效路径以减小天线的体积，引入6个圆形寄生辐射贴片，会使天线原有表面电流分布发生变化，可以进一步优化天线辐射性能。
天线实测结果显示，本发明天线的工作频带范围为5.949～6.845GHz，工作带宽为0.896GHz，带宽倍频程为1.15，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10dB，回波损耗最小值为-32.91dB。可以完全覆盖要求的超宽带通信频段。除此之外，极小的回波损耗能够让天线在该工作频段稳定工作且有充足的性能冗余。
实际测试的结果表明，本发明天线能够覆盖既定的超宽带通信频段，具有全向辐射能力，且尺寸较小，辐射强度较高，是性能优异的室内定位信标天线，能够广泛应用于无人机室内飞行精确定位、智能车室内行驶精确定位、室内人员和物体的实时追踪定位、工业4.0智慧工厂、无人值守展览与售货系统、现代仓储物流、重要人员与设备管控、楼宇内智能导航、医院智能导医等领域。
附图说明
图1是本发明基板正面的三叉切角阵列辐射贴片的结构示意图。
图2是图1中三叉切角分形单极子天线的结构示意图。
图3是本发明基板背面的天线接地板的结构示意图。
图4是本发明的回波损耗(S11)性能图。
标号说明：1三叉切角分形单极子天线、1-1馈线、1-2单极子辐射直臂、1-3单极子辐射折叠臂、2天线接地板、2-1矩形槽、2-2圆形寄生辐射贴片。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：
如图1-4所示为本发明提供的一种三叉切角分形阵列室内定位信标天线的实施例示意图。
一种三叉切角分形阵列室内定位信标天线，它包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板2以及贴覆在基板正面的三叉切角阵列辐射贴片；所述三叉切角阵列辐射贴片包括3个三叉切角分形单极子天线1，三叉切角分形单极子天线1按照直线阵列结构排列形成天线阵列；
所述天线接地板2在全导电接地板上采用缺陷地结构，天线接地板2上刻蚀有矩形槽2-1，并加入圆形寄生辐射贴片2-2。
所述三叉切角分形单极子天线1包括馈线1-1、一个单极子辐射直臂1-2以及两个单极子辐射折叠臂1-3；
所述单极子辐射直臂1-2竖向设置在馈线1-1的上侧中部，所述单极子辐射折叠臂1-3分设于馈线1-1的左右侧，并以单极子辐射直臂1-2为中心线呈镜像对称分布，单极子辐射折叠臂1-3为L形，单极子辐射折叠臂1-3向馈线1-1上侧方向弯折。
所述单极子辐射直臂1-2和单极子辐射折叠臂1-3均由若干个八边形切角分形贴片组成。
单极子辐射直臂1-2和单极子辐射折叠臂1-3具有较高的天线增益，保证天线有较强的辐射强度，且可以覆盖所需频段。
八边形切角分形贴片所采用的分形结构的自相似性可以有效拓展天线的工作带宽并且很大程度上缩减了天线的尺寸。
天线接地板2通过削减天线接地板的结构改善天线的辐射特性，增加电流的有效路径以减小天线的体积，该缺陷地结构简单紧凑，易于实现。
所述八边形切角分形贴片是由一个边长为0.75mm±0.1mm的方形贴片，切去四个边角上的直角边长为0.25mm±0.1mm的等腰直角三角形以及挖去中间边长为0.25mm±0.1mm的正方形而得到；
所述馈线1-1长度为2.25mm±0.1mm，宽度为2.75mm±0.1mm；相邻三叉切角分形单极子天线1之间的间距为0.75mm±0.1mm。
所述三叉切角分形单极子天线1的馈线最上方设有天线馈电点。
所述单极子辐射直臂1-2由6个八边形切角分形贴片以竖直线方式排列组成；
所述单极子辐射折叠臂1-3由4个八边形切角分形贴片以折线方式排列组成，3个八边形切角分形贴片以竖直线方式排列，最底部的八边形切角分形贴片的左侧或右侧排列第四个八边形切角分形贴片。
所述天线接地板2上刻蚀有三个沿水平方向间隔分布的矩形槽2-1，各矩形槽2-1的开口上方设有两个以矩形槽2-1竖向中线为对称线镜像分布的圆形寄生辐射贴片2-2。
3个矩形槽2-1上方一共设置有6个圆形寄生辐射贴片2-2。
在天线接地板2上引入6个圆形寄生辐射贴片2-2，会使天线原有表面电流分布发生变化，可以进一步优化天线辐射性能，电流路径的变化拓宽了天线的带宽，可以有效增加天线的工作带宽。
所述圆形寄生辐射贴片2-2包括内环和外环；所述内环为一个完整的圆环形金属环，所述外环为一个带开口的圆形金属环；两圆形寄生辐射贴片2-2上的外环开口相对设置。
所述外环半径为0.44mm±0.1mm，外环圆心距天线接地板21.25mm±0.1mm，内环半径为0.25mm±0.1mm，外环和内环的宽度均为0.05mm±0.01mm；
两镜像对称圆形寄生辐射贴片2-2上的外环圆心的间距为2.75mm±0.1mm，不同矩形槽2-1上相邻的圆形寄生辐射贴片2-2上的外环圆心的间距为3.75mm±0.1mm；
所述矩形槽2-1长度为1.75mm±0.1mm，宽度为0.75mm±0.1mm。
所述基板为低损耗环氧树脂玻璃布基板，其相对介电常数为4.0-5.0。
所述基板的形状为矩形，尺寸是20mm±0.1mm×8mm±0.1mm，厚度为1mm±0.1mm。
所述三叉切角阵列辐射贴片和天线接地板2的材质为铜、银、金或铝。
说明书附图的图4给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。
从图4可以看出，天线实测结果显示，本发明天线的工作频带范围为5.949～6.845GHz，工作带宽为0.896GHz，带宽倍频程为1.15，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10dB，回波损耗最小值为-32.91dB。该款天线可以完全覆盖要求的超宽带通信频段除此之外，极小的回波损耗能够让天线在该工作频段稳定工作且有充足的性能冗余。
实际测试的结果表明，本发明天线能够覆盖既定的超宽带通信频段，具有全向辐射能力，且尺寸较小，辐射强度较高，是性能优异的室内定位信标天线，能够广泛应用于无人机室内飞行精确定位、智能车室内行驶精确定位、室内人员和物体的实时追踪定位、工业4.0智慧工厂、无人值守展览与售货系统、现代仓储物流、重要人员与设备管控、楼宇内智能导航、医院智能导医等领域。

Claims (6)

1.一种三叉切角分形阵列室内定位信标天线，其特征在于：它包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板（2）以及贴覆在基板正面的三叉切角阵列辐射贴片；所述三叉切角阵列辐射贴片包括3个三叉切角分形单极子天线（1），三叉切角分形单极子天线（1）按照直线阵列结构排列形成天线阵列；
所述天线接地板（2）在全导电接地板上采用缺陷地结构，天线接地板（2）上刻蚀有矩形槽（2-1），并加入圆形寄生辐射贴片（2-2）；
所述三叉切角分形单极子天线（1）包括馈线（1-1）、一个单极子辐射直臂（1-2）以及两个单极子辐射折叠臂（1-3）；
所述单极子辐射直臂（1-2）竖向设置在馈线（1-1）的上侧中部，所述单极子辐射折叠臂（1-3）分设于馈线（1-1）的左右侧，并以单极子辐射直臂（1-2）为中心线呈镜像对称分布，单极子辐射折叠臂（1-3）为L形，单极子辐射折叠臂（1-3）向馈线（1-1）上侧方向弯折；
所述馈线（1-1）长度为2.25mm±0.1mm，宽度为2.75mm±0.1mm；相邻三叉切角分形单极子天线（1）之间的间距为0.75 mm±0.1 mm；
所述单极子辐射直臂（1-2）由6个八边形切角分形贴片以竖直线方式排列组成；
所述单极子辐射折叠臂（1-3）由4个八边形切角分形贴片以折线方式排列组成，3个八边形切角分形贴片以竖直线方式排列，最底部的八边形切角分形贴片的左侧或右侧排列第四个八边形切角分形贴片；
所述八边形切角分形贴片是由一个边长为0.75 mm±0.1 mm的方形贴片，切去四个边角上的直角边长为0.25 mm±0.1 mm的等腰直角三角形以及挖去中间边长为0.25 mm±0.1mm的正方形而得到。
2.根据权利要求1所述的三叉切角分形阵列室内定位信标天线，其特征在于：所述天线接地板（2）上刻蚀有三个沿水平方向间隔分布的矩形槽（2-1），各矩形槽（2-1）的开口上方设有两个以矩形槽（2-1）竖向中线为对称线镜像分布的圆形寄生辐射贴片（2-2）；
所述圆形寄生辐射贴片（2-2）包括内环和外环；所述内环为一个完整的圆环形金属环，所述外环为一个带开口的圆形金属环；两圆形寄生辐射贴片（2-2）上的外环开口相对设置。
3. 根据权利要求2所述的三叉切角分形阵列室内定位信标天线，其特征在于：所述外环半径为0.44 mm±0.1 mm，外环圆心距天线接地板（2）1.25 mm±0.1 mm，内环半径为0.25mm±0.1 mm，外环和内环的宽度均为0.05 mm±0.01 mm；
两镜像对称圆形寄生辐射贴片（2-2）上的外环圆心的间距为2.75 mm±0.1 mm，不同矩形槽（2-1）上相邻的圆形寄生辐射贴片（2-2）上的外环圆心的间距为3.75 mm±0.1 mm；
所述矩形槽（2-1）长度为1.75 mm±0.1 mm，宽度为0.75 mm±0.1 mm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的三叉切角分形阵列室内定位信标天线，其特征在于：所述基板为低损耗环氧树脂玻璃布基板，其相对介电常数为4.0-5.0。
5. 根据权利要求1-3任意一项所述的三叉切角分形阵列室内定位信标天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，尺寸是20 mm±0.1 mm×8 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的三叉切角分形阵列室内定位信标天线，其特征在于：所述三叉切角阵列辐射贴片和天线接地板（2）的材质为铜、银、金或铝。
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