CN114512803A - 一种用于汽车内及附近定位的单站定位天线阵列及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对现有单站定位天线相位差单值性差、定位精度低的问题，提供了一种用于汽车内及附近定位的单站定位天线阵列及方法，通过对天线布局与结构的创新性设计，得到相位方向图随俯仰角单调变化的定位天线，从而了确保定位时相位差的单值性，并采用UWB精确测距与干涉仪测向相结合的方法，实现高精度单基站定位。该天线阵列采用紧凑的微带天线结构，剖面高度非常低，能够在车辆顶棚内狭小的空间内安装，对汽车内部及附近的智能设备进行精确定位，非常适用于汽车内等安装空间小、定位精度要求高的场景。

Description

一种用于汽车内及附近定位的单站定位天线阵列及方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种结合超宽带(UWB)脉冲测距与干涉仪测向方法、具有良好的单值性的高精度单站定位微带天线阵列及方法。
背景技术
随着汽车的电动化、智能化、网联化发展，用户对于车内及车辆附近电子设备，如智慧钥匙、手机等的精确定位有了迫切的需求。
现有的常用定位技术包括WiFi、蓝牙、UWB等，但均存在不同的缺陷。WiFi、蓝牙等技术成熟度高、成本低，但其定位精度仅为3m-10m，无法满足车内及车辆附近高精度定位的需求。UWB技术具有多径分辨能力强，定位精度高的特点，理论测距精度可达到厘米甚至亚厘米级，能够满足高精度定位的需求。但单个UWB站点只能实现一维高精度测距，要实现UWB定位需要3个以上基站的支持，成本较高，并且在车内同时部署3个以上定位基站对空间要求过于苛刻。同时，多基站定位系统需要高精度的时钟同步要求，为了确保各个基站之间精确的时钟同步，目前采用的主要方法是通过有线连接，这给系统安装部署带来了很大困难。
基于干涉仪测向方法的阵列天线仅需单设备即可实现测向，可减少对安装环境的依赖，降低安装部署成本。目前，干涉仪测向天线阵列在天线形式上主要采用单极子天线、贴片天线等基本的天线形式，在布阵形式上有线阵和圆阵等。干涉仪测向的精度主要取决于其鉴相精度，为了提高干涉仪测向的性能，目前的研究主要从算法层面展开，提出了解相位差模糊、通道幅相校正与数据处理等方法。然而，从算法、软件等层面对测向定位精度的提高是有限的，其最大提升限度还是由定位天线硬件所能达到的精度水平决定。为配合解模糊算法的性能提升，在天线阵布阵方面也有少部分研究，主要采用相关系数来优化天线阵的布阵间距，以提升干涉仪测向天线阵的解模糊能力。然而，现有的这些研究并没有从根本上解决干涉仪测向天线阵的相位差单值性问题，相位测量时一旦出现多值，就会造成测向模糊。
综上，目前尚未有成熟的车内及车辆附近高精度定位技术，与之相近的室内定位技术，在精度和成本上均难以满足车内安装空间紧凑、高定位精度的需求。
发明内容
本发明针对现有单站定位天线相位差单值性差、定位精度低的问题，提供了一种用于汽车内及附近定位的单站定位天线阵列及方法，通过对天线布局与结构的创新性设计，得到相位方向图随俯仰角单调变化的定位天线，从而了确保定位时相位差的单值性，并采用UWB精确测距与干涉仪测向相结合的方法，实现高精度单基站定位。该天线阵列采用紧凑的微带天线结构，剖面高度非常低，能够在车辆顶棚内狭小的空间内安装，对汽车内部及附近的智能设备进行精确定位，非常适用于汽车内等安装空间小、定位精度要求高的场景。
本发明的具体技术方案如下：
一种用于汽车内及附近定位的单站定位天线阵列，包括介质基板2、金属接地板3、三个金属辐射贴片1和三个SMA同轴连接器4；
所述介质基板2和金属接地板3上下叠放，所述介质基板2的上表面设有三个金属辐射贴片1，所述金属接地板3下表面设有与三个金属辐射贴片1分别对应的三个SMA同轴连接器4，所述三个SMA同轴连接器4的芯线穿过金属接地板3和介质基板2分别与三个金属辐射贴片1连接；
所述三个SMA同轴连接器4与三个金属辐射贴片1分别组成三个圆极化微带天线，三个圆极化微带天线的馈电点构成一个等边三角形的三个顶点；所述介质基板2和金属接地板3为圆形，所述等边三角形的中心、介质基板2圆心和金属接地板3圆心同轴设置。
优选的，任意两个馈电点之间的距离D为圆极化微带天线工作频率对应波长的三分之二。
优选的，所述金属辐射贴片1为切去一对顶角的正方形，其边长W为圆极化微带天线工作频率对应波长的三分之一。
优选的，介质基板2和金属接地板3的半径相等，且为圆极化微带天线工作频率对应波长的五分之四，介质基板2的厚度H为圆极化微带天线工作频率对应波长的二十分之一。
优选的，所述单站定位天线阵列工作频段为6.18-7.17GHz，可以发射超过500MHz的超宽带脉冲信号。
本发明还提供一种利用上述单站定位天线阵列进行定位的方法，包括以下步骤：
(1)采用所述单站定位天线阵列发射和接收窄脉冲UWB信号，利用收发信号的时间差与波长信息，获取各圆极化微带天线天线与定位目标之间的距离；
(2)根据各圆极化微带天线接收到的定位信号的相位、各圆极化微带天线之间的间距、各圆极化微带天线接收到的信号的相位差以及波长信息，计算得到定位目标与各天线的角度；
(3)结合各天线与定位目标之间的距离和角度，确定定位目标的位置，实现高精度定位。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明所公开的单站定位天线阵列结合UWB的高精度测距能力、多径分辨能力与干涉仪天线阵的测角能力，实现高精度定位的同时避免了多基站系统在安装部署、时钟同步等方面的不足。本发明所公开的天线阵列采用紧凑的微带天线结构，能够在车辆顶棚内狭小的空间内安装，通过对天线布局与结构设计的优化，得到相位方向图随俯仰角单调变化的定位天线，确保定位时相位差的单值性，可以直接避免由于多值而出现的定位模糊与误差，从而大幅提升定位天线的测向定位效率和精度。
2.本发明所公开的结合UWB测距与干涉仪测向的定位方法，通过单基站天线发射和接收UWB脉冲信号，利用窄脉冲UWB信号的时间和空间分辨能力，实现室内复杂环境下较强的抗多径能力；利用UWB信号的高距离分辨精度，实现高精度测距。与三个及以上天线组成的阵列得到的测角信息相结合，实现室内的单站高精度定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的单站定位天线阵列结构示意图。
图2是图1所示实施例中的单站定位天线阵列的侧面结构示意图。
图3是图1所示实施例中的单站定位天线阵列的分解结构示意图。
图4是图1所示实施例中的单站定位天线阵列的俯视尺寸示意图。
图5是图1所示实施例中的单站定位天线阵列的侧视尺寸示意图。
图6是图1所示实施例中的单站定位天线阵列的回波损耗示意图。
图7是图1所示实施例中的单站定位天线阵中单元不同俯仰角切面相位方向示意图。
附图标号说明：
1-金属辐射贴片，2-介质基板，3-金属接地板，4-SMA同轴连接器。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-3所示，本发明的用于汽车内及附近定位的单站定位天线阵列包括三个金属辐射贴片1、介质基板2、金属接地板3和三个SMA同轴连接器4；
三个金属辐射贴片1位于介质基板2上方，金属接地板3位于介质基板2下方，三个SMA同轴连接器4位于金属接地板3下方，三个SMA同轴连接器4的芯线穿过金属接地板3和介质基板2分别与三个金属辐射贴片1连接；
三个SMA同轴连接器4与金属辐射贴片1组成三个圆极化微带天线，是本发明单站定位天线阵列收发信号的主结构，微带天线采用旋转对称的方式排列，其位置构成一个等边三角形，即三个圆极化微带天线的馈电点构成一个等边三角形的三个顶点；所述介质基板2和金属接地板3为圆形，所述等边三角形的中心、介质基板2圆心和金属接地板3圆心同轴设置。
令设三个微带天线单元(以下称为天线单元0，天线单元1和天线单元2)与天线阵列中心的距离为r，信号入射的方位角为
Figure BDA0003466162340000043
俯仰角为α，信号传输至天线阵列中心后与天线单元0、天线单元1、天线单元2之间的相位差分别为θc0、θc1、θc2。
通过下式得到信号的方位角与俯仰角：
Figure BDA0003466162340000041
Figure BDA0003466162340000042
因此，理论上通过测量单元天线之间的相位差，利用三通道干涉仪即可以确定信号的方位角与俯仰角。
但在实际操作过程中，由于天线单元间互耦及遮挡等的影响，直接采用上述公式会由于相位差存在多值而无法计算。
为了使本发明的天线阵列实现相位差单值性，需对天线阵列的相关参数进行针对性设计。具体通过如下方式确定：
首先，对于本发明中的任意2个天线单元，设其间距为D，信号入射角为θi，信号波长为λ，信号到达2个天线的相位差为θc，则有：
Figure BDA0003466162340000051
式中，N为自然数，由于相位测量时只能得到主值区间内的相位差值θc，而无法确定整数N，因此对于一个值θc有多个入射角θi与之对应，为确保相位差为单值，需限制θc在主值区间内取值，因而任意2个天线单元的间距D理论上应小于入射信号的半个波长。然而，单个微带天线在水平方向的尺寸较大，当间距过小时，天线单元间耦合增大，较强的互耦会带来相位方向图的畸变，同样会导致多值。因而，综合考虑干涉仪原理的限制与天线互耦的影响，通过计算，并进行实际验证后，本发明将微带天线单元之间的间距设置为入射信号波长的三分之二。
具体的实施方式如图4和5所示，三个微带天线的馈电点分别排列在一个等边三角形的三个顶点处，三角形边长D为天线工作频率对应波长的三分之二，金属辐射贴片为切去一对顶角的正方形，每个金属辐射贴片的边长W为天线工作频率对应波长的三分之一；天线的介质基板和接地板为圆形结构，圆周的半径为天线工作频率对应波长的五分之四；介质基板的厚度H为天线工作频率对应波长的二十分一。
采用本发明的单站定位天线阵列进行定位的方法，包括以下步骤：
(1)采用所述单站定位天线阵列发射和接收窄脉冲UWB信号，利用收发信号的时间差与波长信息，获取各圆极化微带天线天线与定位目标之间的距离；
(2)根据各圆极化微带天线接收到的定位信号的相位、各圆极化微带天线之间的间距、各圆极化微带天线接收到的信号的相位差以及波长信息，计算得到定位目标与各天线的角度；
(3)结合各天线与定位目标之间的距离和角度，确定定位目标的位置，实现高精度定位。
实施例1
以工作频率为6.5GHz的单站定位天线阵列为例，采用本发明的设计方法，可得三个微带天线的馈电点之间的间距D为30mm，金属辐射贴片的边长W为14.6mm，介质基板材料为铁氟龙，高度H为2.68mm，介质基板半径R为35mm。天线的回波损耗结果如图6所示，可以看出，单站定位天线阵列工作频段为6.18至7.17GHz，包含设定的工作频率6.5GHz，可以发射超过500MHz的超宽带脉冲信号。如图7所示，天线的相位方向图随着俯仰角的变化单调变化，能够在定位时确保相位差的单值性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于汽车内及附近定位的单站定位天线阵列，其特征在于，包括介质基板(2)、金属接地板(3)、三个金属辐射贴片(1)和三个SMA同轴连接器(4)；
所述介质基板(2)和金属接地板(3)上下叠放，所述介质基板(2)的上表面设有三个金属辐射贴片(1)，所述金属接地板(3)下表面设有与三个金属辐射贴片(1)分别对应的三个SMA同轴连接器(4)，所述三个SMA同轴连接器(4)的芯线穿过金属接地板(3)和介质基板(2)分别与三个金属辐射贴片(1)连接；
所述三个SMA同轴连接器(4)与三个金属辐射贴片(1)分别组成三个圆极化微带天线，三个圆极化微带天线的馈电点构成一个等边三角形的三个顶点；所述介质基板(2)和金属接地板(3)为圆形，所述等边三角形的中心、介质基板(2)圆心和金属接地板(3)圆心同轴设置。
2.根据权利要求1所述的单站定位天线阵列，其特征在于，任意两个馈电点之间的距离D为圆极化微带天线工作频率对应波长的三分之二。
3.根据权利要求1所述的单站定位天线阵列，其特征在于，所述金属辐射贴片(1)为切去一对顶角的正方形，其边长W为圆极化微带天线工作频率对应波长的三分之一。
4.根据权利要求1所述的单站定位天线阵列，其特征在于，介质基板(2)和金属接地板(3)的半径相等，且为圆极化微带天线工作频率对应波长的五分之四，介质基板(2)的厚度H为圆极化微带天线工作频率对应波长的二十分之一。
5.根据权利要求1所述的单站定位天线阵列，其特征在于，所述单站定位天线阵列工作频段为6.18-7.17GHz，可以发射超过500MHz的超宽带脉冲信号。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述单站定位天线阵列进行定位的方法，包括以下步骤：
(1)采用所述单站定位天线阵列发射和接收窄脉冲UWB信号，利用收发信号的时间差与波长信息，获取各圆极化微带天线天线与定位目标之间的距离；
(2)根据各圆极化微带天线接收到的定位信号的相位、各圆极化微带天线之间的间距、各圆极化微带天线接收到的信号的相位差以及波长信息，计算得到定位目标与各天线的角度；
(3)结合各天线与定位目标之间的距离和角度，确定定位目标的位置，实现高精度定位。
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CN115621723A (zh) * 2022-12-14 2023-01-17 长沙驰芯半导体科技有限公司 一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列
CN115621723B (zh) * 2022-12-14 2023-03-21 长沙驰芯半导体科技有限公司 一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列

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