CN116156626B - 一种四天线系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种四天线系统及定位方法，用于UWB定位，四天线系统包括：PCB介质板、设置在所述PCB介质板顶层的四片矩形贴片天线、内嵌于所述PCB介质板，位于每相邻的两片所述矩形贴片天线之间的四片矩形金属挡板、设置在所述PCB介质板底层的矩形金属地板；其中，所述矩形金属挡板内嵌于所述PCB介质板，四片所述矩形贴片天线尺寸相同，以所述PCB介质板的中点建立平面直角坐标系，四片所述矩形贴片天线分别位于所述平面直角坐标系的四个象限中。使用本发明的系统，可以在增加天线数量的同时提高天线之间的隔离度，实现更好的测距测角效果，从而能够更加精确的实现定位。

Description

一种四天线系统及定位方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及的是用于UWB定位的一种四天线系统及定位方法。
背景技术
当前，定位技术主要以传统红外线、RFID、蓝牙和WIFI等方式实现。UWB技术凭借其测距定位精度高，有效距离远，穿透能力强，系统实现简单等优势备受关注。UWB定位技术与其他定位技术(传统红外线、RFID、蓝牙和WIFI)相比，其定位精度高、安全性高、抗干扰能力强、辐射低、功耗低、覆盖距离远。通过芯片的辅助，UWB技术可搭载在各种移动终端设备上，如手机、遥控器等设备，实现高精度定位。天线作为UWB定位系统上的关键组成部分，除了要满足结构特性，同时也要保证性能的优越。现有技术中，UWB定位天线精度较低，无法适应不同场景下的高精度定位需求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种四天线系统及定位方法，解决了当前UWB定位系统精度较低，抗干扰能力弱，辐射高、功耗高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种四天线系统，用于UWB定位，包括：PCB介质板、设置在所述PCB介质板顶层的四片矩形贴片天线、位于每相邻的两片所述矩形贴片天线之间的四片矩形金属挡板、设置在所述PCB介质板底层的矩形金属地板；
其中，所述矩形金属挡板内嵌于所述PCB介质板，四片所述矩形贴片天线尺寸相同，以所述PCB介质板的中点建立平面直角坐标系，四片所述矩形贴片天线分别位于所述平面直角坐标系的四个象限中，按顺时针顺序分别为第一天线、第二天线、第三天线和第四天线；
所述第一天线与所述第二天线、所述第三天线与所述第四天线关于同一条第一对称轴对称设置；所述第一天线与所述第三天线、所述第二天线与所述第四天线关于同一条第二对称轴对称设置；
四片所述矩形金属挡板分别设置于第一天线与第二天线、第二天线与第三天线、第三天线与第四天线、第四天线与第一天线之间，每片所述矩形金属挡板的两个面分别朝向其两侧的所述矩形贴片天线；
所述四天线系统用于定位发射信号端的位置，具体包括测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在水平面上的第一角度、相对于所述四天线系统在垂直面上的第二角度和相对于所述四天线系统的距离，其中，通过辨析信号到达两个不同所述矩形贴片天线的相位差，计算得到所述第一角度和第二角度；选定一片所述矩形贴片天线作为信号接收端，与所述发射信号端建立通信回路，通过确定信号到所述信号接收端的时间，再乘以光的传播速度，得到所述距离；分别使用不同的所述矩形贴片天线进行第一角度和第二角度的计算，分别使用不同的所述矩形贴片天线进行距离的计算，提高定位精确度。
在一些实施例中，本发明还包括以下技术特征：
四片所述矩形金属挡板的尺寸相同，所述矩形金属挡板位于每相邻的两片所述矩形贴片天线的正中央。
所述矩形金属地板与所述PCB介质板尺寸相同。
四片所述矩形贴片天线的极化方式一致，都是同一方向上的线极化。
所述第一对称轴与所述第二对称轴的交点为所述PCB介质板的中心点。
本发明还提供一种定位方法，用于定位发射信号端的位置，基于上述的四天线系统，包括以下步骤：
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在水平面上的第一角度；
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在垂直面上的第二角度；
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统的距离。
在一些实施例中，本发明还包括以下技术特征：
所述第一角度的测定方法为：辨析信号到达第一天线和第二天线的相位差，计算得到所述第一角度；
所述第二角度的测定方法为：辨析信号到达第一天线和第三天线的相位差，计算得到所述第二角度；
所述距离的测定方法为，将所述第四天线作为信号接收端，与所述发射信号端建立通信回路，通过确定所述信号到所述第四天线的时间，再乘以光的传播速度，得到所述距离。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种四天线系统，采用四个贴片天线结构，分别利用相邻的两个贴片天线解析不同平面的角度，且在两两贴片天线中央嵌入矩形金属挡板，提高天线之间的隔离度，从而提高定位精度。
在一些实施例中，四个贴片天线采用中心对称的布局方式，其中用于测角的三个贴片天线沿着等腰直角三角形的边来布置，以分别利用同行的两个贴片天线解析水平面的角度，利用同列的两个贴片天线解析垂直面的角度。四个贴片天线对称放置，使得能够使用不同的贴片天线进行多次测角测距，进一步提高测距测角精度。
附图说明
图1是本发明实施例中的整体结构三维示意图；
图2是本发明实施例中四天线系统的回波损耗曲线图；
图3是本发明实施例中四天线系统彼此间的隔离度曲线图；
图4是本发明实施例中任意一个贴片天线在7-9GHz的实际增益图；
图5是本发明实施例中任意一个贴片天线在7.7GHz的xz-plane辐射方向图；
图6是本发明实施例中任意一个贴片天线在7.7GHz的yz-plane辐射方向图；
图7是本发明实施例中任意一个贴片天线在8GHz的xz-plane辐射方向图；
图8是本发明实施例中任意一个贴片天线在8GHz的yz-plane辐射方向图；
图9是本发明实施例中任意一个贴片天线在8.3GHz的xz-plane辐射方向图；
图10是本发明实施例中任意一个贴片天线在8.3GHz的yz-plane辐射方向图；
图中，1-PCB介质板，2-第一天线，3-第二天线，4-第三天线，5-第四天线，6-矩形金属挡板，7-矩形金属地板。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例的技术方案进行完整地描述。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。
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一些实施例中，提供一种四天线系统，如图1，包括：PCB介质板1、设置在所述PCB介质板顶层的四片矩形贴片天线、内嵌于所述PCB介质板，位于每相邻的两片所述矩形贴片天线之间的四片矩形金属挡板6、设置在所述PCB介质板底层的矩形金属地板7；
其中，四片所述矩形贴片天线尺寸相同，均为11.5mm*8mm，以PCB介质板的中点建立平面直角坐标系，四片所述矩形贴片天线分别位于所述平面直角坐标系的四个象限中，按顺时针顺序分别为第一天线2、第二天线3、第三天线4和第四天线5。
其中，四片所述矩形金属挡板6的尺寸相同，其高度与所述PCB介质板厚度相同，其长度均为14mm，厚度均为0.1mm，所述矩形金属挡板6位于每相邻的两片所述矩形贴片天线的正中央，其两面分别朝向其两侧的矩形贴片天线；所述矩形金属地板7与所述PCB介质板1尺寸相同，均为35mm*38mm；四片所述矩形贴片天线的极化方式一致，都是同一方向上的线极化。所述第一天线2、第二天线3、第三天线4和第四天线5关于所述PCB介质板的中心点中心对称，所述第一天线2与所述第二天线3、所述第三天线4与所述第四天线5关于过所述中心点的同一条第一对称轴对称设置；所述第一天线2与所述第三天线4、所述第二天线3与所述第四天线5关于过所述中心点的同一条第二对称轴对称设置。
PCB介质板的顶层布置天线，底层布置地板，天线跟地板间用同轴线连接。同轴线的外导体焊接在地板上，内导体焊接在天线上。
上述方案中，不在正中央或以中心点之外的点中心对称，会导致四个天线性能不一致，效果较差。
在一些实施例中，本发明还提供一种定位方法，基于上述四天线系统，包括以下步骤：
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在水平面上的第一角度；
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在垂直面上的第二角度；
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统的距离。
所述第一角度和所述第二角度的测定方法为：辨析信号到达两个不同所述矩形贴片天线的相位差，计算得到相应角度，在一些具体实施例中，用于测定第一角度时，两个不同矩形贴片天线分别为第一天线2和第二天线3；用于测定第二角度时，两个不同矩形贴片天线分别为第一天线2和第三天线4；
所述距离的测定方法为，选定一片所述矩形贴片天线作为信号接收端，与所述发射信号端建立通信回路，通过确定信号到所述信号接收端的时间，再乘以光的传播速度，得到所述距离，在一些具体实施例中，该矩形贴片天线为第四天线5。
为了进一步提高测量精度，还包括以下步骤：分别使用不同的所述矩形贴片天线进行第一角度和第二角度的计算，分别使用不同的所述矩形贴片天线进行距离的计算，提高定位精确度。
在一些具体实施例中，使用本系统通过上述方法选用不同天线进行两次定位测量，达到更好精度。
进一步的，在一种具体实施方式中，本发明具备如下特征：
PCB介质板1的介电常数为4.05，损耗角正切为0.0068，厚度为2mm。
如图2，本发明天线S参数响应中，可以看出该天线系统总共有四个端口，四个端口的反射系数|S11|、|S22|、|S33|和|S44|都小于-10dB，且基本一致，可以说明四个天线的性能基本一致。
如图3，本发明天线系统，四个天线端口间的隔离度响应中，可以看出隔离度|S21|、|S31|、|S41|、|S32|、|S42|、|S43|均大于20dB，即任意两个天线之间的隔离度大于20dB，高隔离度保证了天线系统辨析角度的精确性。
如图4，图中曲线表示实际增益，本发明天线系统中的贴片天线的实际增益响应中，可以看出贴片天线在7.7-8.3GHz内，实际增益大于4dBi，经实际验证，本天线系统可以在150m内流畅实现高精度测角测距功能。
图5是天线系统中贴片天线在7.7GHz的xz-plane(phi＝0)辐射方向图，上方的曲线表示主极化方向图(co-pol)，下方的曲线表示交叉极化方向图(x-pol)；图6是天线系统中贴片天线在7.7GHz的yz-plane(phi＝90)辐射方向图，上方的曲线表示主极化方向图(co-pol)，下方的曲线表示交叉极化方向图(x-pol)；图7是天线系统中贴片天线在8GHz的xz-plane(phi＝0)辐射方向图，上方的曲线表示主极化方向图(co-pol)，下方的曲线表示交叉极化方向图(x-pol)；图8是天线系统中贴片天线在8GHz的yz-plane(phi＝90)辐射方向图，上方的曲线表示主极化方向图(co-pol)，下方的曲线表示交叉极化方向图(x-pol)；图9是天线系统中贴片天线在8.3GHz的xz-plane(phi＝0)辐射方向图，上方的曲线表示主极化方向图(co-pol)，下方的曲线表示交叉极化方向图(x-pol)；图10是天线系统中贴片天线在8.3GHz的yz-plane(phi＝90)辐射方向图上方的曲线表示主极化方向图(co-pol)，下方的曲线表示交叉极化方向图(x-pol)。
由图5-图10可以看出，贴片天线在7.7-8.3GHz内，视角范围正负60度内，天线的主极化分量都大于交叉极化分量12dB左右，即交叉极化比>12dB,这保证了天线辨析角度的方向性与精度。
通常，工程应用上天线四个端口的|S11|，|S22|，|S33|和|S44|一般要求小于-10dB，端口间的隔离度要求大于15dB，交叉极化比大于12dB，这是正常的标准，也就是说，本发明中的四天线系统及其布局设计可用于辨析角度与距离，实现三维UWB定位的功能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”和“示例”等述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相对的实施例或示例中以合适的方式结合。
必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种四天线系统，用于UWB定位，其特征在于，包括：PCB介质板、设置在所述PCB介质板顶层的四片矩形贴片天线、位于每相邻的两片所述矩形贴片天线之间的四片矩形金属挡板、设置在所述PCB介质板底层的矩形金属地板；
其中，所述矩形金属挡板内嵌于所述PCB介质板，四片所述矩形贴片天线尺寸相同，以所述PCB介质板的中点建立平面直角坐标系，四片所述矩形贴片天线分别位于所述平面直角坐标系的四个象限中，按顺时针顺序分别为第一天线、第二天线、第三天线和第四天线；
所述第一天线与所述第二天线、所述第三天线与所述第四天线关于同一条第一对称轴对称设置；所述第一天线与所述第三天线、所述第二天线与所述第四天线关于同一条第二对称轴对称设置；
四片所述矩形金属挡板分别设置于第一天线与第二天线、第二天线与第三天线、第三天线与第四天线、第四天线与第一天线之间，每片所述矩形金属挡板的两个面分别朝向其两侧的所述矩形贴片天线；
所述四天线系统用于定位发射信号端的位置，具体包括测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在水平面上的第一角度、相对于所述四天线系统在垂直面上的第二角度和相对于所述四天线系统的距离，其中，通过辨析信号到达两个不同所述矩形贴片天线的相位差，计算得到所述第一角度和第二角度；选定一片所述矩形贴片天线作为信号接收端，与所述发射信号端建立通信回路，通过确定信号到所述信号接收端的时间，再乘以光的传播速度，得到所述距离；分别使用不同的所述矩形贴片天线进行第一角度和第二角度的计算，分别使用不同的所述矩形贴片天线进行距离的计算，提高定位精确度。
2.根据权利要求1所述的四天线系统，其特征在于，四片所述矩形金属挡板的尺寸相同，所述矩形金属挡板位于每相邻的两片所述矩形贴片天线的正中央。
3.根据权利要求1所述的四天线系统，其特征在于，所述矩形金属地板与所述PCB介质板尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的四天线系统，其特征在于，四片所述矩形贴片天线的极化方式一致，都是同一方向上的线极化。
5.根据权利要求1所述的四天线系统，其特征在于，所述第一对称轴与所述第二对称轴的交点为所述PCB介质板的中心点。
6.一种定位方法，用于定位发射信号端的位置，其特征在于，基于根据权利要求1-5中任一项所述的四天线系统，包括以下步骤：
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在水平面上的第一角度；
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统在垂直面上的第二角度；
测定所述发射信号端相对于所述四天线系统的距离。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，
所述第一角度的测定方法为：辨析信号到达第一天线和第二天线的相位差，计算得到所述第一角度；
所述第二角度的测定方法为：辨析信号到达第一天线和第三天线的相位差，计算得到所述第二角度；
所述距离的测定方法为，将所述第四天线作为信号接收端，与所述发射信号端建立通信回路，通过确定所述信号到所述第四天线的时间，再乘以光的传播速度，得到所述距离。
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