CN114156640A - 天线组件、无人机及无人机定位方法 - Google Patents

天线组件、无人机及无人机定位方法 Download PDF

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CN114156640A
CN114156640A CN202111545240.6A CN202111545240A CN114156640A CN 114156640 A CN114156640 A CN 114156640A CN 202111545240 A CN202111545240 A CN 202111545240A CN 114156640 A CN114156640 A CN 114156640A
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Abstract

本发明公开了一种天线组件，天线组件包括第一天线辐射体和第二天线辐射体，第一天线辐射体和第二天线辐射体设置于电子设备上，第一天线辐射体和第二天线辐射体配置为可接收设定频段的目标电磁波信号，并基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位差获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的距离差以定位电子设备。还公开一种无人机以及一种无人机定位方法。本发明基于结构设计布局合理且具有最佳天线性能的UWB天线解决方案实现定位，定位精度高，实用性好。

Description

天线组件、无人机及无人机定位方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种天线组件、无人机及无人机定位方法。
背景技术
无人机定位通常采用GPS定位技术，在GPS信号较弱的环境，也采用超声波定位、同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping)、视觉跟踪或动作捕捉系统实现定位。
近年来，UWB(Ultra Wideband)定位技术逐渐发展成熟。UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦窄脉冲传输数据，脉冲时间间隔极短(小于1ns)。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。总的来说，UWB在早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来逐渐开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大，发送功率非常小。由于UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响小，应用面广。随着无人机定位的要求不断提高，如何为无人机设计符合UWB定位技术的天线组件，成为需要解决的技术问题。
本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明旨在为无人机设计符合UWB定位技术的天线组件，以满足不断提高的无人机定位要求。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
本发明的第一个方面提供一种天线组件，天线组件包括第一天线辐射体和第二天线辐射体，第一天线辐射体和第二天线辐射体设置于电子设备上，第一天线辐射体和第二天线辐射体配置为可接收设定频段的目标电磁波信号，并基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位差获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的距离差以定位电子设备。
本发明的第二个方面提供一种无人机，包括第一天线辐射体和第二天线辐射体，第一天线辐射体和第二天线辐射体设置于无人机壳体中，第一天线辐射体和第二天线辐射体配置为可接收设定频段的目标电磁波信号，并基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位差获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的距离差以实现定位。
本发明的第三个方面提供一种无人机定位方法，包括以下步骤：
获取设置于无人机上的第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位中心间距d，相位中心间距d根据第一天线辐射体和第二天线辐射体所接收的目标电磁波信号的波长λ确定，目标电磁波信号具有设定频段；
获取第一天线辐射体和第二天线辐射体的其中之一与基站之间的实际距离r，其中基站配置为发出目标电磁波信号；
基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位差PDoA获取目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的距离差p,
Figure BDA0003415671210000021
计算目标电磁波信号到达第一天线辐射体或第二天线辐射体的相位角；
在目标坐标系中定位设置有第一天线辐射体和第二天线辐射体的无人机。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
本发明基于结构设计布局合理且具有最佳天线性能的UWB天线解决方案实现定位，定位精度高，实用性好。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的天线组件一种实施例的结构示意图；
图2为本发明所提供的天线组件另一个视角的结构示意图；
图3为本发明所提供的无人机一种实施例的结构示意图；
图4为如图3所示的无人机中螺旋桨的结构示意图；
图5为如图3所示的无人机的内部结构示意图；
图6为到达角度的理论值和实测值的对比图；
图7为相位差的理论值和实测值的对比图；
图8示出天线组件在第一中心频率处的回波损耗；
图9示出天线组件在第二中心频率处的回波损耗；
图10示出天线组件在第一中心频率处的天线效率；
图11示出天线组件在第二中心频率处的天线效率；
图12为无人机定位方法的原理示意图；
图13为无人机定位方法一种实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，代表覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明中“实施例”代表结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中，各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员可以理解，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请的第一个实施例提供一种天线组件。天线组件服务于电子设备，电子设备包括但不限于智能手机、互联网设备、智能机械(智能机器人)、无人机、可穿戴设备、个人数字助理等具有通信功能的电子设备。请参阅图1和图2，天线组件包括第一天线辐射体101和第二天线辐射体102，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102设置于电子设备上。具体来说，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102设置于电子设备中的PCB基板104上。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102为利用超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术的天线，采用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102配置为可接收设定频段的目标电磁信号，并基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位差获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差以定位电子设备。采用UWB技术的第一天线辐射体101及第二天线辐射体102可接收的目标电磁信号符合UWB技术的工作频段，即设定频段的范围从3.1GHz到10.6GHz，中心频率为6.49GHz和7.99GHz。
第一天线辐射体101和第二天线辐射体102按照计算的最佳间距，即相位中心间距固定设置于电子设备上，即第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位中心间距已知。经测试，相位中心间距在
Figure BDA0003415671210000051
到
Figure BDA0003415671210000052
之间以利于计算相位角，λ为目标电磁信号的波长。配置第一天线辐射体101和第二天线辐射体102中的任意一者作为发射点，发射点与发出目标电磁波信号的基站103之间的实际距离可以通过双向测距算法(Two-Way-Ranging,TWR)测算得到。进一步基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位差即可获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差。相位差可以通过波形图测试得到，通常存储在存储单元，例如寄存器中以供随时调用。由于目标电磁波信号的整波波长相当于目标电磁波信号走过360°的距离，因此在获取相位差后，即可以求出目标电磁波信号走过相位差的距离，也即相位差相对整波波长的比例。在获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差后，即可以基于相位中心间距、发射点与基站103之间的实际距离、目标电磁波信号的波长、相位差反解出目标电磁波信号到达第一天线辐射体101或目标电磁波信号到达第二天线辐射体102的相位角，即到达角度。在求得到达角度后，即可以在目标坐标系中解算出第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的实际坐标，从而实现电子设备的定位。在目标坐标系中解算出第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的实际坐标可以采用现有技术中的常见算法，不是本发明的保护重点，在此不再赘述。
为了便于第一天线辐射体101或第二天线辐射体102的相位角，优选设定第二天线辐射体102和所述第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000053
其中λ1为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2＞λ1。对于采用UWB技术的第一天线辐射体101和第二天线辐射体102，优选分别设定UWB技术的中心频率7.99GHz和6.49GHz为第一目标电磁波信号和第二目标电磁波信号，对于中心频率7.99GHz，可以求出整波波长为
Figure BDA0003415671210000054
对于中心频率6.49GHz，可以求出整波波长为
Figure BDA0003415671210000061
c为光速。为了确保第一天线辐射体101和第二天线辐射体102在UWB技术中心频段的性能更好，设定第二天线辐射体102和所述第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000062
即满足d∈(9.4mm,11.55mm)。
经过实际测试，同时便于操作人员制作，第二天线辐射体102和第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000063
即优选设定第二天线辐射体102和第一天线辐射体101的相位中心间距d为10mm。
本发明所提供的天线组件提供了一种UWB天线解决方案，具有结构设计布局合理的优点，在实际测试中表现出最佳天线性能。
本申请的第二个实施例提供一种无人机105。如图3至图5所示，无人机105主要包括自上向下依次设置的螺旋桨106和机身107。无人机105还包括第一天线辐射体101和第二天线辐射体102，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102设置于无人机105壳体中。具体来说，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102设置于机身107中的PCB基板104上。PCB基板104优选为8层板，厚度8mm。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102为利用超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术的天线，采用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102配置为可接收设定频段的目标电磁信号，并基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位差获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差以定位无人机105。采用UWB技术的第一天线辐射体101及第二天线辐射体102可接收的目标电磁信号符合UWB技术的工作频段，即设定频段的范围从3.1GHz到10.6GHz，中心频率为6.49GHz和7.99GHz。
第一天线辐射体101和第二天线辐射体102依据事先计算的最佳间距，即相位中心间距固定设置于电子设备上，即第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位中心间距已知。配置第一天线辐射体101和第二天线辐射体102中的任意一者作为发射点，发射点与发出目标电磁波信号的基站103之间的实际距离可以通过双向测距算法(Two-Way-Ranging,TWR)测算得到。进一步基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位差即可获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差。相位差通常存储在存储单元，例如寄存器中以供随时调用。由于目标电磁波信号的整波波长相当于目标电磁波信号走过360°的距离，因此在获取相位差后，即可以求出目标电磁波信号走过相位差的距离，也即相位差相对整波波长的比例。在获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差后，即可以基于相位中心间距、发射点与基站103之间的实际距离、目标电磁波信号的波长、相位差反解出目标电磁波信号到达第一天线辐射体101或目标电磁波信号到达第二天线辐射体102的相位角，即到达角度。在求得到达角度后，即可以在目标坐标系中解算出第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的实际坐标，从而实现无人机105的定位。
为了便于第一天线辐射体101或第二天线辐射体102的相位角，优选设定第二天线辐射体102和所述第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000071
其中λ1为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2＞λ1。对于采用UWB技术的第一天线辐射体101和第二天线辐射体102，优选分别设定UWB技术的中心频率7.99GHz和6.49GHz为第一目标电磁波信号和第二目标电磁波信号，对于中心频率7.99GHz，可以求出整波波长为
Figure BDA0003415671210000072
对于中心频率6.49GHz，可以求出整波波长为
Figure BDA0003415671210000073
为了确保第一天线辐射体101和第二天线辐射体102在UWB技术中心频段的性能更好，设定第二天线辐射体102和所述第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000074
即满足d∈(9.4mm,11.55mm)。
经过实际测试，同时便于操作人员制作，第二天线辐射体102和第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000075
即优选设定第二天线辐射体102和第一天线辐射体101的相位中心间距d为10mm。
第一天线辐射体101和第二天线辐射体102优选为焊接钢片天线，并直接焊接在PCB基板104上，降低天线组装难度，同时便于维修。第一天线辐射体101设置于PCB基板104的边缘处，并靠近机身107的底盖108。第二天线辐射体102沿垂直于PCB基板104的方向向外延伸。由于相位中心间距和第一天线辐射体101设置位置的限制，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102均可以远离主板复杂的电磁环境，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的天线性能符合主流设计标准，驻波和效率均有最佳表现。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的回波损耗如图8和图9所示，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的天线效率如图10和图11所示，其中横轴为频率GHz，纵轴为效率dB。天线性能如图和图所示，此外从图6和图7中可以看出，经过实测，±60°内拟合的很好，说明误差小。
本发明的第三个方面提供一种无人机105定位方法，如图12和图13所示，包括以下步骤：
步骤S11：获取设置于无人机105上的第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位中心间距d，相位中心间距d根据第一天线辐射体101和第二天线辐射体102所接收的目标电磁波信号的波长λ确定，经测试，相位中心间距在
Figure BDA0003415671210000081
到
Figure BDA0003415671210000082
之间以利于计算相位角。目标电磁波信号具有设定频段，λ为目标电磁信号的波长。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102提前按照计算的最佳间距，即相位中心间距固定设置于电子设备上，即第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位中心间距已知。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102为利用超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术的天线，采用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。
步骤S12：获取第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的其中之一与基站103之间的实际距离r，其中基站103配置为发出目标电磁波信号。配置第一天线辐射体101和第二天线辐射体102中的任意一者作为发射点，发射点与发出目标电磁波信号的基站103之间的实际距离可以通过双向测距算法(Two-Way-Ranging,TWR)测算得到。
步骤S13:基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位差PDoA获取目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差p,
Figure BDA0003415671210000091
相位差通常存储在存储单元，例如寄存器中以供随时调用。由于目标电磁波信号的整波波长相当于目标电磁波信号走过360°的距离，因此在获取相位差后，即可以求出目标电磁波信号走过相位差的距离，也即相位差相对整波波长的比例。
步骤S14：计算目标电磁波信号到达第一天线辐射体101或第二天线辐射体102的相位角α、β。在获得目标电磁波信号到达第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的距离差后，即可以基于相位中心间距、发射点与基站103之间的实际距离、目标电磁波信号的波长、相位差反解出目标电磁波信号到达第一天线辐射体101或目标电磁波信号到达第二天线辐射体102的相位角，即到达角度。
步骤S15：在目标坐标系中定位设置有第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的无人机105。在求得到达角度后，即可以在目标坐标系(例如图12中所示的平面坐标系，其中x、y分别代表两个维度)中解算出第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的实际坐标，从而实现电子设备的定位。在目标坐标系中解算出第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的实际坐标可以采用现有技术中的常见算法，不是本发明的保护重点，在此不再赘述。
根据第一天线辐射体101和第二天线辐射体102所接收的目标电磁波信号的波长λ确定第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的相位中心间距d包括以下步骤：
计算具有第一设定频段的第一目标电磁波信号的波长λ1。第一目标电磁波信号为UWB技术的中心频率7.99GHz，整波波长为
Figure BDA0003415671210000092
计算具有第二设定频段的第二目标电磁波信号的波长λ2。第二目标电磁波信号为UWB技术的中心频率6.49GHz,整波波长为
Figure BDA0003415671210000093
第二天线辐射体102和第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000101
λ2＞λ1，即满足d∈(9.4mm,11.55mm)，确保第一天线辐射体101和第二天线辐射体102在UWB技术中心频段的性能更好。
经过实际测试，同时便于操作人员制作，第二天线辐射体102和第一天线辐射体101的相位中心间距d满足
Figure BDA0003415671210000102
即优选设定第二天线辐射体102和第一天线辐射体101的相位中心间距d为10mm。
从结构上看，无人机105主要包括自上向下依次设置的螺旋桨106和机身107。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102设置于机身107中的PCB基板104上。PCB基板104优选为8层板，厚度8mm。第一天线辐射体101和第二天线辐射体102优选为焊接钢片天线，并直接焊接在PCB基板104上，降低天线组装难度，同时便于维修。第一天线辐射体101设置于PCB基板104的边缘处，并靠近机身107的底盖108。第二天线辐射体102沿垂直于PCB基板104的方向向外延伸。由于相位中心间距和第一天线辐射体101设置位置的限制，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102均可以远离主板复杂的电磁环境，第一天线辐射体101和第二天线辐射体102的天线性能符合主流设计标准，驻波和效率均有最佳表现。
本发明所提供的无人机定位方法，基于结构设计布局合理且具有最佳天线性能的UWB天线解决方案实现定位，无人机定位精度高，实用性好。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种天线组件，其特征在于，包括：
第一天线辐射体和第二天线辐射体，所述第一天线辐射体和第二天线辐射体设置于电子设备上，所述第一天线辐射体和第二天线辐射体配置为可接收设定频段的目标电磁波信号，并基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位差获得所述目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的距离差以定位所述电子设备。
2.根据权利要求1所述的天线组件，其特征在于，
所述目标电磁波信号包括第一目标电磁波信号和第二目标电磁波信号，所述第一目标电磁波信号具有第一设定频段，所述第二目标电磁波信号具有第二设定频段，所述第一设定频段和第二设定频段至少包括UWB设定频段的至少一个中心频率；所述第二天线辐射体和所述第一天线辐射体的相位中心间距d满足
Figure FDA0003415671200000011
其中λ1为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2＞λ1。
3.根据权利要求2所述的天线组件，其特征在于，
所述第二天线辐射体和所述第一天线辐射体的相位中心间距d满足
Figure FDA0003415671200000012
4.一种无人机，其特征在于，包括：
第一天线辐射体和第二天线辐射体，所述第一天线辐射体和第二天线辐射体设置于无人机壳体中，所述第一天线辐射体和第二天线辐射体配置为可接收设定频段的目标电磁波信号，并基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位差获得所述目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的距离差以实现定位。
5.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于，
所述目标电磁波信号包括第一目标电磁波信号和第二目标电磁波信号，所述第一目标电磁波信号具有第一设定频段，所述第二目标电磁波信号具有第二设定频段，所述第一设定频段和第二设定频段至少包括UWB设定频段的至少一个中心频率；所述第二天线辐射体和所述第一天线辐射体的相位中心间距d满足
Figure FDA0003415671200000021
其中λ1为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2为所述第一目标电磁波信号的波长，λ2＞λ1。
6.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于，
所述第二天线辐射体和所述第一天线辐射体的相位中心间距d满足
Figure FDA0003415671200000022
其中λ为所述目标电磁波信号的波长。
7.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于，包括：
机身，所述机身中设置有PCB基板，所述第一天线辐射体和所述第二天线辐射体设置于所述PCB基板上，其中所述第一天线辐射体设置于所述PCB基板的边缘处，所述第二天线辐射体沿垂直于所述PCB基板的方向向外延伸。
8.根据权利要求4至7任一项所述的无人机，其特征在于，
所述第一天线辐射体和第二天线辐射体为焊接钢片天线。
9.一种无人机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取设置于无人机上的第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位中心间距d，所述相位中心间距d根据所述第一天线辐射体和第二天线辐射体所接收的目标电磁波信号的波长λ确定，所述目标电磁波信号具有设定频段；
获取第一天线辐射体和第二天线辐射体的其中之一与基站之间的实际距离r，其中所述基站配置为发出所述目标电磁波信号；
基于目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位差PDoA获取所述目标电磁波信号到达第一天线辐射体和第二天线辐射体的距离差
Figure FDA0003415671200000023
计算目标电磁波信号到达第一天线辐射体或第二天线辐射体的相位角；
在目标坐标系中定位设置有第一天线辐射体和第二天线辐射体的无人机。
10.根据权利要求9所述的无人机定位方法，其特征在于，
根据所述第一天线辐射体和第二天线辐射体所接收的目标电磁波信号的波长λ确定第一天线辐射体和第二天线辐射体的相位中心间距d包括以下步骤：
计算具有第一设定频段的第一目标电磁波信号的波长λ1；
计算具有第二设定频段的第二目标电磁波信号的波长λ2；
其中，所述第一设定频段和第二设定频段至少包括UWB设定频段的至少一个中心频率；
所述第二天线辐射体和所述第一天线辐射体的相位中心间距d满足
Figure FDA0003415671200000031
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