CN115621723B - 一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，包括介质基板、金属地板和共面波导馈电线，介质基板的正面设置有三个天线单元；三个共面波导馈电线分别和三个天线单元电性连接；介质基板的正面和反面还分别设置有多个阻抗匹配结构，第一、二阻抗匹配结构分别设置在第一天线单元的右侧和第三天线单元的左侧，第一、二阻抗匹配结构为在金属地板上蚀刻出的矩形槽；第三、四和第五、六阻抗匹配结构分别设置在第二共面波导馈电线的两端，第五、六阻抗匹配结构、为矩形金属贴片。本发明提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，不仅提高了目标定位的维度，并且有效降低了天线占用的空间，适用于室内精确定位中的无线手持设备。
Description
技术领域
本发明实施例涉及陶瓷芯片天线阵列领域，特别是涉及一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列。
背景技术
伴随着生活场景的精细化，人们对室内定位的需求增多，利用不同类型的锚节点来提供定位能力的技术也在不断进展。比如Wi-Fi、蓝牙、超宽带（Ultra Wide Band，简称UWB）技术等。其中，超宽带技术，因具有纳秒级窄带脉冲和超宽带宽的优势，正广泛应用于工业互联网、车联网和智能家居中。
超宽带技术可回溯到包含1901年著名的跨大西洋脉冲信号传输的电报系统中。之后该技术在雷达中得到一些应用，主要用于军事目的。在2002年，美国通信委员会通过了将3.1-10.6GHz频段划归为商用和22-29GHz的频段划归为车载雷达系统的规定，自此，UWB技术突破了过去几十年内仅在雷达和军事通信上的应用局限，之后几年内，UWB技术由于具有简单的收发结构、低功耗和高传输率等特点，成为短距离高速无线系统实现的一种有力竞争方案。从2019年开始，由于APPLE，NXP和Qorvo等一些知名公司和机构发布了超宽带定位技术的新产品，超宽带定位技术受到了科技界和媒体界的广泛关注。2019年8月推动UWB产业和技术的精确测距（FIRA）联盟建立，并且在2020年10月提出和UWB系统相关的白皮书。2022年，IEEE更新了UWB的相关标准（802.15.4z）,从而为UWB进一步进入主流应用铺平了道路。当前，UWB的发展得到了市场和标准制定组织的多重助力，使用超宽带第五和第九频段的定位技术实现了进入多个大众无线智能设备，如苹果，小米，三星产品等等。
目前有多种UWB定位方法来满足不同应用的需求。其中，基于目标到达角(Angleof Arrival,简称AOA)测量的定位方法是目前研究最广泛的定位方法之一。PDOA（Phase-Difference-of-Arrival，信号到达相位差）的到达角AOA检测被证明更有潜力，给用户带来方便智慧的贴心体验。传统的基于阵列测向的定位方法通常利用目标来波方向的一维角度测量估计目标的二维位置,而在更具有实际应用价值的三维定位中，传感器节点往往分布在三维空间，三维信息更能够真实反映节点位置，这就要求在三维空间内定位算法能实现无线传感器未知节点的位置估计。这种情况下需要利用二维天线阵列同时估计出目标的方位角和俯仰角。然而，这也给天线阵列的设计带来新的挑战。一方面，额外的手机天线需要占用较大的空间，另一方面，原有天线的尺寸的关系导致天线间的相对间距较小，产生不必要的耦合，对测向精度带来负面影响。
因此，需要提供一种紧凑陶瓷芯片天线阵列，可以有效解决上述问题。适用于物联网中便携式移动终端装置等通信设备。
发明内容
本发明提供一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，不仅提高了目标定位的维度，并且有效降低了天线占用的空间，适用于室内精确定位中的无线手持设备。
本发明实施例提供一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，包括介质基板、金属地板和共面波导馈电线，
所述介质基板的正面设置有第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元，所述第一天线单元和所述第三天线单元分别对称设置在所述第二天线单元的两侧；
所述共面波导馈电线包括第一共面波导馈电线、第二共面波导馈电线和第三共面波导馈电线，所述第一共面波导馈电线、第二共面波导馈电线和第三共面波导馈电线分别和所述第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元电性连接；
所述介质基板的正面还设置有第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构、第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构；
所述介质基板的反面设置有第七阻抗匹配结构、第八阻抗匹配结构、第九阻抗匹配结构、第十阻抗匹配结构；
所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构分别和所述第七阻抗匹配结构、第八阻抗匹配结构相对应，所述第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构分别和所述第九阻抗匹配结构、第十阻抗匹配结构相对应；
其中，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构分别设置在所述第一天线单元的右侧和所述第三天线单元的左侧，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构为在所述金属地板上蚀刻出的矩形槽；所述第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构设置在所述第二共面波导馈电线的第一端的延伸段上。
优选地，所述第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元呈等边三角形排列，所述第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元的每个几何中心的间距为超宽带第九频段最高频点对应的波长的一半，所述陶瓷芯片天线阵列结构的宽度为2.3cm，高度为3.4cm。
优选地，所述介质基板的正面还设置有第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构；
所述介质基板的反面还设置有第十一阻抗匹配结构、第十二阻抗匹配结构；
所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构分别和所述第十一阻抗匹配结构、第十二阻抗匹配结构相对应；
所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构设置在所述第二共面波导馈电线的第二端，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构为矩形金属贴片。
优选地，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构的宽度为3.1mm，高度为3.6mm，所述第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构的宽度为2.6mm，高度为17.3mm，所述第十三阻抗匹配结构的宽度为1.9mm，高度为3.6mm。
优选地，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构的宽度为2.8mm，高度为5.2mm，所述第十三阻抗匹配结构的宽度为1.9mm，高度为3.6mm。
优选地，所述金属地板包括第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板和第五金属地板，所述第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板设置在所述介质基板的正面，所述第五金属地板设置在所述介质基板的反面，所述第一金属地板、第二金属地板和所述第一天线单元之间设置第一间隙，第三金属地板、第四金属地板和所述第三天线单元之间设置第二间隙。
优选地，所述第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板和第五金属地板之间贯穿有金属化的过孔。
优选地，所述第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元分别包括陶瓷基板载体、印刷单极天线板、微带馈电线导带和金属连接板，所述陶瓷基板载体包括第一表面、第二表面、第三表面、第四表面、第五表面、第六表面，所述印刷单极天线板设置在所述陶瓷基板载体的第一表面，所述微带馈电线导带设置在所述陶瓷基板载体的第三表面，所述金属连接板设置在所述陶瓷基板载体的第六表面，所述微带馈电线导带用于电性连接所述印刷单极天线板和所述金属连接板；所述印刷单级天线板为十面体贴片，所述印刷单级天线板的上端为单次切角处理的结构，所述印刷单级天线板的下端为二次切角处理的结构。
优选地，所述微带馈电线导带为梯形结构，所述微带馈电线导带的长度和所述陶瓷基板载体的厚度相同，所述微带馈电线导带的下底边的长度和所述共面波导馈电线的宽度相同，所述微带馈电线导带的上底边的长度和所述印刷单极天线板的形状和大小相关。
优选地，所述介质基板的介电常数为2-10，损耗角正切小于等于10-3，厚度小于等于3mm。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，包括介质基板、陶瓷芯片天线、介质基板正反两面的阻抗匹配结构、金属地板和共面波导馈电线导带，所述芯片天线阵列具有平面二维结构实现超宽带三维测向，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元呈等边三角形排列，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元的几何中心的距离一致，在第一天线单元到第二天线单元，第一天线单元到第三天线单元和第三天线单元到第二天线单元形成三组夹角为60度的测角天线阵，每组测角范围在正负60度内，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元阵列组合能够覆盖方位角整个360度范围，除了方位面，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元两两联立，同样可以对俯仰角正负六十度范围内进行测向，从而形成平面天线阵列的三维测向应用；
进一步地，通过采用介质基板正反两面的阻抗匹配结构，使得平面陶瓷芯片天线阵列用更紧凑的空间和分布来达到超宽带测距的工作频率和带宽要求，符合当今移动终端小型化的工艺设计要求；
进一步地，所述陶瓷芯片天线阵列包括第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，在保证有效隔离度的情况下，每个天线单元分别配置为在超宽带通信频带中辐射，根据PDOA的到达角检测方案，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元几何中心的间距为半波长，所述陶瓷芯片天线阵列由于其紧凑的体积，第一天线单元左侧边缘到第三天线单元右侧边缘尺寸降低，从而整个陶瓷芯片天线阵列所占空间有效减小；
进一步地，所述陶瓷芯片天线阵列中的第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元以其几何中心为基点，相对其它类别天线单元整体体积更小，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元之间的空间增加，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元之间的耦合降低，隔离度显著增加，从而达到理想的高隔离度，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元中的每个都能够当作一个单独的天线单元进行处理；
进一步地，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构分别设置在所述第一天线单元的右侧和所述第三天线单元的左侧，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构为在所述金属地板上蚀刻出的矩形槽，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构设置在所述第二共面波导馈电线的第二端，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构为矩形金属贴片，从而使第二天线单元工作在超宽带频段上，且再次提高了第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元之间的隔离度。
进一步地，所述第一共面波导馈电线导带、第二共面波导馈电线导带、第三共面波导馈电线导带设置在所述介质基板的正面，相对其它馈电结构，具有成本低、装配简单和结构稳定等优点；
进一步地，本发明实施例的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，宽度只有2.3厘米，高度只有3.4厘米，结构非常紧凑，经过性能测试表明能够工作于FIRA指定的用于室内定位的超宽带第五到第九频段，即6.25GHz-8.25GHz，天线互耦度低于-18db以下。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的正面结构示意图；
图1B为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的反面结构示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元的结构示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元和第二天线的回波损耗曲线图；
图4为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元和第二天线单元的驻波比图；
图5为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元之间的隔离度图；
图6为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元在不同频点上的H面辐射方向示意图；
图7为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元在不同频点上的E面辐射方向示意图；
图8为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第二天线单元在不同频点上的H面辐射方向示意图；
图9为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第二天线单元在不同频点上的E面辐射方向示意图。
附图标记说明：
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，不仅提高了目标定位的维度，并且有效降低了天线占用的空间，适用于室内精确定位中的无线手持设备。
图1A为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的正面结构示意图，图1B为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的反面结构示意图。现在参看图1A和图1B，本发明实施例提供一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列00，包括介质基板01、金属地板和共面波导馈电线，
所述介质基板01的正面设置有第一天线单元10、第二天线单元20以及第三天线单元30，所述第一天线单元10和所述第三天线单元30分别对称设置在所述第二天线单元20的两侧；
所述共面波导馈电线包括第一共面波导馈电线51、第二共面波导馈电线52和第三共面波导馈电线53，所述第一共面波导馈电线51、第二共面波导馈电线52和第三共面波导馈电线53分别和所述第一天线单元10、第二天线单元20和第三天线单元30电性连接；
所述介质基板01的正面还设置有第一阻抗匹配结构61A、第二阻抗匹配结构61B、第三阻抗匹配结构62A、第四阻抗匹配结构62B；
所述介质基板01的反面设置有第七阻抗匹配结构64A、第八阻抗匹配结构64B、第九阻抗匹配结构65A、第十阻抗匹配结构65B以及第十三阻抗匹配结构67；
所述第一阻抗匹配结构61A、第二阻抗匹配结构61B分别和所述第七阻抗匹配结构64A、第八阻抗匹配结构64B相对应，所述第三阻抗匹配结构62A、第四阻抗匹配结构62B分别和所述第九阻抗匹配结构65A、第十阻抗匹配结构65B相对应；
其中，所述第一阻抗匹配结构61A、第二阻抗匹配结构61B分别设置在所述第一天线单元10的右侧和所述第三天线单元30的左侧，所述第一阻抗匹配结构61A、第二阻抗匹配结构61B为在所述金属地板上蚀刻出的矩形槽；所述第三阻抗匹配结构62A、第四阻抗匹配结构62B设置在所述第二共面波导馈电线52的第一端的延伸段上。
在一些实施例中，所述介质基板的正面还设置有第五阻抗匹配结构63A、第六阻抗匹配结构63B；
所述介质基板的反面还设置有第十一阻抗匹配结构66A、第十二阻抗匹配结构66B；
所述第五阻抗匹配结构63A、第六阻抗匹配结构63B分别和所述第十一阻抗匹配结构66A、第十二阻抗匹配结构66B相对应；
所述第五阻抗匹配结构63A、第六阻抗匹配结构63B设置在所述第二共面波导馈电线52的第二端，所述第五阻抗匹配结构63A、第六阻抗匹配结构63B为矩形金属贴片。
在一些实施例中，所述第一天线单元10、第二天线单元20以及第三天线单元30呈等边三角形排列，所述第一天线单元10、第二天线单元20以及第三天线单元30的每个几何中心的间距为超宽带第九频段最高频点对应的波长的一半，所述陶瓷芯片天线阵列结构的宽度为2.3cm，高度为3.4cm。
在一些实施例中，所述第一阻抗匹配结构61A、第二阻抗匹配结构61B的宽度为3.1mm，高度为3.6mm，所述第三阻抗匹配结构62A、第四阻抗匹配结构62B的宽度为2.6mm，高度为17.3mm，所述第十三阻抗匹配结构67的宽度为1.9mm，高度为3.6mm。
在一些实施例中，所述第五阻抗匹配结构63A、第六阻抗匹配结构63B的宽度为2.8mm，高度为5.2mm，所述第十三阻抗匹配结构67的宽度为1.9mm，高度为3.6mm。
在一些实施例中，第一天线单元10、第二天线单元20以及第三天线单元30均为尺寸大小相同和材料一致的陶瓷芯片天线。在保证有效隔离度的情况下，第一天线单元10、第二天线单元20以及第三天线单元30分别配置为在超宽带通信频带中辐射。第一天线单元10、第二天线单元20以及第三天线单元30共用金属地板和微带馈电线导带。
在一些实施例中，第二天线单元20的高度和第一天线单元10、第三天线单元30的高度不同，由此形成二维天线阵列结构。由于超宽带三维测向的要求，第二天线单元20的高度要比第一天线单元10、第三天线单元30高出足够的距离来保证测角范围，从而连接第二天线单元20的第二共面波导馈电线导带52的长度要比第一共面波导馈电线51和第三共面波导馈电线53长。不同长度的共面波导馈电线导带意味着射频信号从系统到第一天线单元10、第三天线单元30和射频信号从系统到第二天线单元20产生的相位不同。并且，由于物理结构的限制，第二天线单元20也不能采用与第一天线单元10、第三天线单元30相同的地板结构。由此带来的后果是，第二天线单元20严重失配，不能工作在定位和测距要求的超宽带频段。由此提出多个阻抗匹配结构，并将其使用在二维陶瓷芯片天线阵列中。
介质基板01上的多个阻抗匹配结构可以有效改变天线单元的中心频率和工作带宽。
首先，第二天线单元20在失配的情况下，中心工作频率偏高超出超宽带频段。由于天线的物理长度与其工作频率成反比关系，增加第二天线单元20的高度可以降低其中心工作频率。但由于超宽带三维测向的解模糊多值的要求，第一天线单元10、第二天线单元20、第三天线单元30相对位置固定。因此，在第一天线单元10右侧在地板上蚀刻出第一阻抗匹配结构61A和在第三天线单元30左侧在地板上蚀刻出第二阻抗匹配结构61B，第一阻抗匹配结构61A和第二阻抗匹配结构61B为矩形槽，使得第二天线单元20对地板的相对长度增加，从而降低了其工作频率。
其次，金属共面波导导带连接到第二天线单元20，金属的存在会对第一天线单元10和第三天线单元30产生反射作用，影响第一天线单元10和第三天线单元30的带宽，只能金属共面波导导带两侧较窄的金属导带。但这种情况下，第二天线单元20的带宽较窄，不能用于超宽带系统，为改善其匹配，在不影响第一天线单元10和第三天线单元30的情况下，增加第二天线单元20下方的共面波导两侧的第三阻抗匹配结构62A和第四阻抗匹配结构62B，第三阻抗匹配结构62A和第四阻抗匹配结构62B为金属导带，从而增加了第二天线单元20的带宽。
最后，增加后的带宽仍然不能够完全覆盖整个超宽带频段，进一步增加第三阻抗匹配结构62A和第四阻抗匹配结构62B，可以改善这一情况。但这种方式会对第一天线单元10和第三天线单元30的带宽和整体辐射情况带来负面影响。在整体考虑第一天线单元10、第二天线单元20和第三天线单元30的特性的情况下，只在第二天线单元20两侧金属导带外延上方加入第五阻抗匹配结构和第六阻抗匹配结构，第五阻抗匹配结构和第六阻抗匹配结构为两个金属贴片，这样，下方不会增加金属导带的宽度而影响第一天线单元10和第二天线单元30的辐射，而且使得第二天线单元20有更好的匹配，进一步增加了第二天线单元20的带宽。第十三阻抗匹配结构67的深度和第七阻抗匹配结构64A、第八阻抗匹配结构64B相同，同样用于增加第二天线单元20的相对长度，从而减小第二天线单元20的中心工作频率。
在一些实施例中，所述金属地板包括第一金属地板41、第二金属地板42、第三金属地板43、第四金属地板44和第五金属地板45，所述第一金属地板41、第二金属地板42、第三金属地板43、第四金属地板44设置在所述介质基板01的正面，所述第五金属地板45设置在所述介质基板01的反面，所述第一金属地板41、第二金属地板42和所述第一天线单元10之间设置第一间隙，第三金属地板43、第四金属地板44和所述第三天线单元30之间设置第二间隙。金属地板的上底边与第一天线单元10和第三天线单元30在介质基板01上的投影的下底边留有空间，即第一间隙和第二间隙，以避免对其辐射特性带来负面影响。本领域技术人员可以根据需要设置第一间隙和第二间隙的尺寸，在此不再赘述。
在具体实施中，第一金属地板41、第二金属地板42，以中间的第二共面波导馈电线52为轴与第三金属地板43、第四金属地板44左右对称。第五金属地板45和第一金属地板41、第二金属地板42、第三金属地板43、第四金属地板44的高度相同，第五金属地板45的宽度与介质基板01的宽度相同。由于没有放置馈电结构在第五金属地板45，第五金属地板45作为一个整体与第一金属地板41、第二金属地板42、第三金属地板43、第四金属地板44对应。所述第一金属地板41、第二金属地板42、第三金属地板43、第四金属地板44和第五金属地板45之间贯穿有金属化通孔70，以保证上下地板和矩形体陶瓷基板载体100之间的粘合强度。
图2为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元的结构示意图。现在参看图2，在一些实施例中，所述第一天线单元10、第二天线单元20、第三天线单元30分别包括陶瓷基板载体100、印刷单极天线板101、微带馈电线导带102和金属连接板103，所述陶瓷基板载体100包括第一表面11、第二表面12、第三表面13、第四表面14、第五表面15、第六表面16，所述印刷单极天线板101设置在所述陶瓷基板载体100的第一表面11，所述微带馈电线导带102设置在所述陶瓷基板载体100的第三表面13，所述金属连接板103设置在所述陶瓷基板载体100的第六表面16，所述微带馈电线导带102用于电性连接所述印刷单极天线板101和所述金属连接板103。
所述第一表面11和所述第三表面13在第一边缘104相交，所述第一表面11和所述第六表面16在第二边缘105相交。
在一些实施例中，所述印刷单级天线板101为十面体贴片，其下底边和微带馈电线导带102在第一边缘104处电性连接。所述印刷单级天线板的101上端为单次切角处理的结构，所述印刷单级天线板101的下端为二次切角处理的结构。切角处理能够改善超宽带频段带内的阻抗匹配，让印刷单极天线板101用于在超宽带通信频带中辐射，使得电磁能量更有效的辐射出去，提高辐射效率。
所述微带馈电线导带102的第一端和所述印刷单极天线板101在靠近所述第二边缘105处电性连接，所述微带馈电线导带102的第二端和所述金属共面波导传输导带传输结构电性连接。
在一些实施例中，所述微带馈电线导带102为梯形结构，用于实现阻抗变换，所述微带馈电线导带102的长度和所述陶瓷基板载体100的厚度相同，所述微带馈电线导带102的下底边的长度和所述共面波导馈电线的宽度相同，金属共面波导传输导带的宽度与介质基板01的厚度以及介电常数相关，所述微带馈电线导带102的上底边的长度和所述印刷单极天线板101的形状和大小相关。
在一些实施例中，所述金属连接板103用于连接所述介质基板01及介质基板01上的地板和阻抗匹配结构。金属连接板103既要保证陶瓷芯片天线和模组测试系统粘合的强度，又要控制其大小，以免过大的金属连接板103产生反射，对陶瓷芯片天线的性能产生过度的影响。该陶瓷芯片天线背面的四个边角位置的金属连接板，陶瓷芯片天线背面上底边和下底边中间位置的金属连接板均为矩形形状，下底边的矩形宽度和基板正面的印刷共面波导馈电线导带的宽度相同。
在具体实施中，所述陶瓷基板载体100介电常数较高，为采用高温掺杂方法制成的陶瓷材料，材料特性可以根据要求有较大范围的变化。介质基板载体00正面的金属连接板103与陶瓷芯片天线10背面的金属连接板104焊接在一起，介质基板01正面的金属连接板103形状和大小与陶瓷基板载体100下方的金属连接板103的形状和大小对应。
所述金属连接板103用于连接所述模组测试系统的连接板，所述金属连接板103的形状为矩形，所述金属连接板103一共有六片，分别分布在陶瓷基板载体100第六表面16的周边位置。
所述陶瓷基板载体的正面包含连接芯片天线的金属连接板一共有三组，每组六片。每片基板正面连接板的位置和芯片天线底部的连接板对应以保证芯片天线与基板稳固的成为一体。
所述金属地板分别设置在介质基板01的正面和反面，所述正面的金属地板包括第一金属地板41和第二金属地板42设置在第一共面波导馈电线51的两侧，第三金属地板43和第四金属地板44设置在第三共面波导馈电线53的两侧，第二金属地板42和第三金属地板43设置在第二共面波导馈电线52的两侧。
在一些实施例中，印刷共面波导馈电线导带设置在矩形体陶瓷基板载体100的正面。印刷共面波导馈电线导带包含第一共面波导馈电线51、第二共面波导馈电线52、第三共面波导馈电线53共三条，分别用于对第一天线单元10、第二天线单元20、第三天线单元30进行馈电。以第一共面波导馈电线51为例，第一共面波导馈电线51上端与陶瓷基板载体100第六表面16上下底边中间位置的金属连接板103水平连接。与此同时，第一共面波导馈电线51上端还与第一天线单元10的第三表面13上的梯形微带馈电线导带垂直连接。印刷共面波导馈电线导带的特性阻抗为50欧姆，其下端与同轴接头内导体相连。
在一些实施例中，所述介质基板01的介电常数为2-10，损耗角正切小于等于10-3，厚度小于等于3mm。
现在参考图3-图9，图3为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元和第二天线的回波损耗曲线图，图3的纵坐标是回波损耗/dB，横坐标是频率/GHz。由于第三天线单元30和第一天线单元10以第二天线单元20和中间的第二共面波导馈电线52为轴呈左右对称结构，第三天线单元30和图3中第一天线单元10的散射参数特性一致。为更好展示各天线单元的特性，对应图3的回波损耗曲线，图4为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元和第二天线单元的驻波比图。由图3和图4可以看出，本实施例中的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列中第一天线单元10和第三天线单元30能够工作于4.13-9.82GHz，本实施例中的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列中的第二天线单元20能够工作于6.23-8.28GHz。由于采用本发明提供的多个阻抗匹配结构，第一天线单元10、第二天线单元20、第三天线单元30的驻波比在FIRA认可的超宽带定位频段（6.25-8.25GHz）上都小于2。
图5为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元之间的隔离度图，图5的纵坐标是互耦强度/dB，横坐标是频率/GHz。即相邻两个天线单元和最远两个天线单元的耦合强度。对应测向天线阵列，理想天线单元的接收特性仅与其空间位置有关，而阵元相互之间的互耦越低越好。由于采用紧凑陶瓷芯片天线阵列，天线单元之间的间距相对增加，阵元间的互耦度能够有效降低。由图5可以看出，本实施例中的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列中第一天线单元10和第二天线单元20以及的互耦度在超宽带频段达到-18dB以下，第二天线单元20和第三天线单元30的互耦度在超宽带频段达到-23dB以下。由于第一天线单元10、第二天线单元20和第三天线单元30本身的体积较小，各个阵元间的互耦度较低，能够保证天线的测角精度。另外，随着频率的升高，各个阵元间的互耦度进一步降低。
图6、图7分别为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元在不同频点上的H面和E面辐射方向示意图。由于第三天线单元30和第一天线单元10以第二天线单元20和中间的第二共面波导馈电线52为轴呈左右对称结构，第三天线单元30和第一天线单元10的辐射特性对称性一致。从图6中第一天线单元10在H面的辐射方向图可以看出，第一天线单元10在6.5GHz和8GHz都基本呈现了全向特性。由于第二天线单元20下方的金属导带的存在，第一天线单元10在H面的全向特性在不同频率受到部分影响。从图7中第一天线单元10在E面的辐射方向图可以看出，第一天线单元10除了在其与第二天线单元20的连线方向有受上方和右方金属导带的影响，其它方向辐射特性较好。
图8、图9分别为本发明的一个实施例提供的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第二天线单元在不同频点上的H面和E面辐射方向示意图。从超宽带频段6.5GHz和8GHz频点上的辐射方向图可以看出，超宽带系统中的第二天线单元20在两个频点都分别显示出与半波振子全向天线类似特性。第二天线单元20辐射方向图在H面保持全向性，第二天线单元20辐射方向图在E面显示出上下方向辐射较小，两侧方向辐射强度较大的特性。由本发明的一个实施例提供的在H面和E面的6.5GHz和8GHz辐射方向图可以看出，该超宽带系统中的紧凑陶瓷芯片天线阵列的第一天线单元10、第二天线单元20、第三天线单元30在超宽带频段内都有比较一致的辐射特性。
在具体实施中，在使用IEEE 802.15.4z的规范下的脉冲以及在接收机使用1GHz采样率的ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）的前提下，典型接收功率不小于-90dBm（测角灵敏度范围），仿真及测试结果表明，当入射角在-60~+60度范围内，测角误差的三倍标准差可以保证不超过正负5度，适用于目前的物联网需求的测角应用。
综上所述，本发明实施例的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，包括介质基板、陶瓷芯片天线、介质基板正反两面的阻抗匹配结构、金属地板和共面波导馈电线导带，所述芯片天线阵列具有平面二维结构实现超宽带三维测向，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元呈等边三角形排列，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元的几何中心的距离一致，在第一天线单元到第二天线单元，第一天线单元到第三天线单元和第三天线单元到第二天线单元形成三组夹角为60度的测角天线阵，每组测角范围在正负60度内，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元阵列组合能够覆盖方位角整个360度范围，除了方位面，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元两两联立，同样可以对俯仰角正负六十度范围内进行测向，从而形成平面天线阵列的三维测向应用；
进一步地，通过采用介质基板正反两面的阻抗匹配结构，使得平面陶瓷芯片天线阵列用更紧凑的空间和分布来达到超宽带测距的工作频率和带宽要求，符合当今移动终端小型化的工艺设计要求；
进一步地，所述陶瓷芯片天线阵列包括第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，在保证有效隔离度的情况下，每个天线单元分别配置为在超宽带通信频带中辐射，根据PDOA的到达角检测方案，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元几何中心的间距为半波长，所述陶瓷芯片天线阵列由于其紧凑的体积，第一天线单元左侧边缘到第三天线单元右侧边缘尺寸降低，从而整个陶瓷芯片天线阵列所占空间有效减小；
进一步地，所述陶瓷芯片天线阵列中的第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元以其几何中心为基点，相对其它类别天线单元整体体积更小，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元之间的空间增加，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元之间的耦合降低，隔离度显著增加，从而达到理想的高隔离度，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元中的每个都能够当作一个单独的天线单元进行处理；
进一步地，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构分别设置在所述第一天线单元的右侧和所述第三天线单元的左侧，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构为在所述金属地板上蚀刻出的矩形槽，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构设置在所述第二共面波导馈电线的第二端，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构为矩形金属贴片，从而使第二天线单元工作在超宽带频段上，且再次提高了第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元之间的隔离度。
进一步地，所述第一共面波导馈电线导带、第二共面波导馈电线导带、第三共面波导馈电线导带设置在所述介质基板的正面，相对其它馈电结构，具有成本低、装配简单和结构稳定等优点；
进一步地，本发明实施例的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，宽度只有2.3厘米，高度只有3.4厘米，结构非常紧凑，经过性能测试表明能够工作于FIRA指定的用于室内定位的超宽带第五到第九频段，即6.25GHz-8.25GHz，天线互耦度低于-18db以下。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，包括介质基板、金属地板和共面波导馈电线，其特征在于，
所述介质基板的正面设置有第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元，所述第一天线单元和所述第三天线单元分别对称设置在所述第二天线单元的两侧；
所述共面波导馈电线包括第一共面波导馈电线、第二共面波导馈电线和第三共面波导馈电线，所述第一共面波导馈电线、第二共面波导馈电线和第三共面波导馈电线分别和所述第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元电性连接；
所述介质基板的正面还设置有第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构、第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构；
所述介质基板的反面设置有第七阻抗匹配结构、第八阻抗匹配结构、第九阻抗匹配结构、第十阻抗匹配结构及第十三阻抗匹配结构；
所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构分别和所述第七阻抗匹配结构、第八阻抗匹配结构相对应，所述第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构分别和所述第九阻抗匹配结构、第十阻抗匹配结构相对应；
其中，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构分别设置在所述第一天线单元的右侧和所述第三天线单元的左侧，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构为在所述金属地板上蚀刻出的矩形槽；所述第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构设置在所述第二共面波导馈电线的第一端的延伸段上；
所述介质基板的正面还设置有第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构；
所述介质基板的反面还设置有第十一阻抗匹配结构、第十二阻抗匹配结构；
所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构分别和所述第十一阻抗匹配结构、第十二阻抗匹配结构相对应；
所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构设置在所述第二共面波导馈电线的第二端，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构为矩形金属贴片；
所述第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元呈等边三角形排列，所述第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元的每个几何中心的间距为超宽带第九频段最高频点对应的波长的一半，所述陶瓷芯片天线阵列结构的宽度为2.3cm，高度为3.4cm。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，其特征在于，所述第一阻抗匹配结构、第二阻抗匹配结构的宽度为3.1mm，高度为3.6mm，所述第三阻抗匹配结构、第四阻抗匹配结构的宽度为2.6mm，高度为17.3mm，所述第十三阻抗匹配结构的宽度为1.9mm，高度为3.6mm。
3.根据权利要求1所述的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，其特征在于，所述第五阻抗匹配结构、第六阻抗匹配结构的宽度为2.8mm，高度为5.2mm，所述第十三阻抗匹配结构的宽度为1.9mm，高度为3.6mm。
4.根据权利要求1所述的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，其特征在于，所述金属地板包括第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板和第五金属地板，所述第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板设置在所述介质基板的正面，所述第五金属地板设置在所述介质基板的反面，所述第一金属地板、第二金属地板和所述第一天线单元之间设置第一间隙，第三金属地板、第四金属地板和所述第三天线单元之间设置第二间隙。
5.根据权利要求4所述的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，其特征在于，所述第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板和第五金属地板之间贯穿有金属化的过孔。
6.根据权利要求1所述的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，其特征在于，所述第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元分别包括陶瓷基板载体、印刷单极天线板、微带馈电线导带和金属连接板，所述陶瓷基板载体包括第一表面、第二表面、第三表面、第四表面、第五表面、第六表面，所述印刷单极天线板设置在所述陶瓷基板载体的第一表面，所述微带馈电线导带设置在所述陶瓷基板载体的第三表面，所述金属连接板设置在所述陶瓷基板载体的第六表面，所述微带馈电线导带用于电性连接所述印刷单极天线板和所述金属连接板；所述印刷单极天线板为十面体贴片，所述印刷单极天线板的上端为单次切角处理的结构，所述印刷单极天线板的下端为二次切角处理的结构。
7.根据权利要求6所述的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，其特征在于，所述微带馈电线导带为梯形结构，所述微带馈电线导带的长度和所述陶瓷基板载体的厚度相同，所述微带馈电线导带的下底边的长度和所述共面波导馈电线的宽度相同，所述微带馈电线导带的上底边的长度和所述印刷单极天线板的形状和大小相关。
8.根据权利要求1所述的基于超宽带三维测向的紧凑陶瓷芯片天线阵列，其特征在于，所述介质基板的介电常数为2-10，损耗角正切小于等于10-3，厚度小于等于3mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A compact ceramic chip antenna array based on ultra wideband 3D direction finding Granted publication date: 20230321 Pledgee: Changsha Bank Co.,Ltd. Science and Technology Innovation Branch Pledgor: Changsha Chixin Semiconductor Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009297 |