CN117374577A - 天线装置、蓝牙定位方法、无线通信装置以及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种天线装置、无线通信装置以及定位方法。其中，所述天线装置包括天线振子，包括第一端、第二端以及从所述第一端至所述第二端延伸的身部，所述第一端、第二端与地之间具有间隙；所述身部包括第一部、第二部以及第三部，所述第一部从所述第一端朝着远离所述地的第一方向延伸，至第一位置弯折，所述第二部从所述第一位置起沿着第二方向延伸至第二位置弯折，所述第二方向与所述第一方向相交，所述第三部从所述第二位置起沿着第三方向朝靠近所述地的方向延伸，所述第三方向与所述第二方向相交；其中，所述第二部的宽度从所述第一位置的第一宽度至第二位置的延伸方向逐渐变窄至第二宽度。

Description

天线装置、蓝牙定位方法、无线通信装置以及系统

技术领域

本申请涉及天线装置、蓝牙定位方法、无线通信装置以及系统。

背景技术

现有的蓝牙定位技术中，一般采用基于接收信号强度指示(Received SignalStrength Indication,RSSI)进行距离测量及通过三角法或基于到达角(Angle OfArrival,AoA)/离开角(Angle Of Departure,AoD)测量方位角进行蓝牙定位。

然而，基于RSSI的距离测量容易受到环境电磁条件及传输介质的影响从而降低测量精度，且这种无安全机制的测量容易受到攻击从而导致错误测量结果。正在开发中的新的蓝牙版本引入低功耗蓝牙信道探测(Channel Sounding)功能，可同时通过相位测量及往返时间(Round-Trip Time,RTT)测量来进行距离估算并相互修正，精度更高且具备安全防护机制。详细的低功耗蓝牙信道探测(Channel Sounding)的相关技术方案，可以参考蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)发布的相关技术规范，例如：Change Reques CR_PR版本(https://www.bluetooth.org/DocMan/handlers/DownloadDoc.ashx？doc_id＝ 553104)。

发明人在实践中发现，采用以上低功耗蓝牙信道探测的方案，存在一定的定位误差。

因此，本领域需要一种天线装置、蓝牙定位方法、无线通信装置以及系统，以进一步提高基于低功耗蓝牙信道探测采用相位测量及往返时间进行蓝牙定位的定位精度。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提高基于低功耗蓝牙信道探测采用相位测量及往返时间进行蓝牙定位的定位精度。

根据本申请第一方面的天线装置，包括天线振子，包括第一端、第二端以及从所述第一端至所述第二端延伸的身部，所述第一端作为所述天线振子的馈电端；其中，所述第一端、第二端与地之间具有间隙；所述身部包括第一部、第二部以及第三部，所述第一部从所述第一端朝着远离所述地的第一方向延伸，至第一位置弯折，所述第二部从所述第一位置起沿着第二方向延伸至第二位置弯折，所述第二方向与所述第一方向相交，所述第三部从所述第二位置起沿着第三方向朝靠近所述地的方向延伸，所述第三方向与所述第二方向相交；其中，所述第二部的宽度从所述第一位置的第一宽度至第二位置的延伸方向逐渐变窄至第二宽度。

在一些实施例中，所述第一宽度为0.06-0.1倍的波长，所述第二宽度为0.01-0.03倍波长，所述第一部从所述第一端朝着远离所述地的第一方向延伸的长度为0.13-0.17倍波长，所述第二部从所述第一位置起沿着第二方向延伸至第二位置的延伸长度为0.18-0.28倍波长。

在一些实施例中，所述天线装置为印刷电路板天线，印刷电路板的接地区域提供所述地，所述印刷电路板包括铺铜区以及净空区，所述天线阵子位于所述净空区。

在一些实施例中，所述天线装置具有一个或多个所述天线振子，当所述天线装置具有多个所述天线振子，多个所述天线阵子对应设置于同一印刷电路板。

在一些实施例中，所述印刷电路板包括凸出部，所述凸出部的两侧分别设置有第一天线振子、第二天线阵子，形成多天线的结构。

在一些实施例中，所述天线装置的第一端连接并联匹配有电容，并且所述第一端在靠近所述匹配电容的方向宽度逐渐减小。

根据本申请第二方面的一种蓝牙定位方法，包括采用如第一方面所述的天线装置，所述蓝牙定位方法包括，所述天线装置获得相位以及时间信号，同时通过相位测量及往返时间测量进行距离计算。

根据本申请第三方面的一种无线通信装置，包括如第一方面所述的天线装置。

在一些实施例中，所述无线通信装置包括壳体，所述壳体提供容纳空间，所述天线装置为印刷电路板天线，所述印刷电路板位于所述容纳空间内部。

根据本申请第四方面的一种无线通信系统，包括如第三方面所述的无线通信装置。

附图说明

为让本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本申请的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是本申请第一实施例的天线装置的结构示意图；

图2A是本申请第二实施例的天线装置的结构示意图；

图2B是本申请第三实施例的天线装置的结构示意图；

图3是本申请第四实施例的天线装置的结构示意图；

图4是本申请第五实施例的天线装置的结构示意图；

图5是本申请第五实施例的天线装置以及蓝牙通信装置对应的示意框图；

图6是本申请第一实施例的天线装置的电流分布示意图；

图7是本申请第一实施例的天线装置的相位特性的曲线图；

图8是本申请第一实施例的天线装置的延时特性的曲线图；

图9是本申请的一实施例的无线通信装置的结构示意图；

图10是一现有的天线装置的结构示意图。

附图标记：

100-无线通信装置

10-天线装置

1-地

2,200-天线阵子

21-第一端

22-第二段

23-身部

231-第一部

232-第二部

233-第三部

2311-第一位置

2312-第二位置

20-印刷电路板

210-铺铜区

220-净空区

230-凸出部

201-第一天线阵子

202-第二天线阵子

30-壳体

301-容纳空间

31-电容

40-间隙。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

在本文中提及“实施例”意味着，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。在说明书中的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。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

对于采用相位技术及RTT技术来定位的低功耗蓝牙信道探测，发明人发现，采用现有的天线装置，如图10所示的，现有的天线装置，例如采用竖直延伸的天线阵子200，其具有存在一定的定位误差，其误差如下表1所示的：

表1：现有的天线的低功耗蓝牙信道探测定位误差数据：

发明人经过深入研究，发现造成误差的主要原因在于，目前现有的天线结构将导致在蓝牙定位的2.4GHz窄带定位中存在不同方向的相位抖动和时间误差。

基于以上，发明人经过深入研究，发明了一种新的天线装置，实现了提高基于低功耗蓝牙信道探测采用相位测量及往返时间进行蓝牙定位的定位精度的提高。其原理在于，首先，通过渐变的天线结构，改善了天线的电流的平滑，减少了天线相位的不连续性，从而改善了天线的相位特性和时延特性。再者，其采用弯折的结构，使得天线的电流分布从直线型变成了一个回字型，同时，天线的末端靠近地板，从而增加了天线和地之间的终端电容耦合效应，使得辐射电流可以通过耦合的方式回到地，从而各个方向上都有部分天线的辐射，从而改善了天线的方向性，另外，采用弯折的天线阵子结构，并且，采用弯折结构的天线阵子可以小型化，使得本身谐振频率低于工作频段，因此在工作频段内，未有强烈的谐振特性，天线的辐射特性未有明显的突变。从而天线的相位特性和时延特性一致性达到较高水平，避免在在谐振频率附近，产生辐射电流的突变，从而影响接受或者发射信号的相位和时延连续性。

以下实施例介绍的天线装置10，可以用于构成无线通信装置、无线通信系统。例如构成蓝牙天线模块，设置于汽车，例如可以集成与车辆的中控台，座椅等位置，也可以设置于座舱外的位置，例如车顶、引擎盖、后备箱等位置，均不以此为限制。例如可以用于利用天线装置10获得相位以及时间信号，同时通过相位测量及往返时间测量进行距离计算，进行低功耗蓝牙信道探测(Channel Sounding)的相关技术方案。

无线通信装置的100的具体的结构，例如可以是图9所示的无线通信装置中，包括壳体30，壳体30提供容纳空间301，天线装置10为印刷电路板天线，印刷电路板20位于容纳空间30内部。

采用以天线装置10以及无线通信装置100构成无线通信系统的场景，用于车辆，例如可以是车辆的智能进入以及启动系统(Passive-Entry-Passive-Start,PEPS)，具体而言，车辆以及用户的移动终端例如手机可以是至少其一具有天线装置10，具体原理如本领域的通常认识，此处不再赘述。但不以此为限制，也可以用于除车辆之外的场景，例如室内定位技术，例如应用于大型商场、学校等公共场所的室内定位场景，以及室外的短距离定位等场景。

参考图1至图4所示的，首先介绍图1所示的天线装置10的第一实施例。

参考图1所示的，天线装置10包括天线振子2，包括第一端21、第二端22以及从第一端21至第二端22延伸的身部23，第一端21作为天线振子2的馈电端。

此处的馈电端的含义，是天线连接馈电设备的一端。由于天线的互易性，因此天线可以作为发射或接收作用，即馈电端可以是输入端或者输出端。在发射端，发射机产生的已调制的高频振荡电流能量经馈电设备输入天线，天线将高频电流或导波能量转变为无线电波—自由电磁波能量向周围空间辐射；在接收端，无线电波能量通过接收天线转变成高频电流或导波能量经馈电设备传送到接收机。

第一端21、第二端22与地1之间具有间隙40。

此处的地即为天线领域的“地板”的概念。

身部23包括第一部231、第二部232以及第三部233，第一部231从第一端21朝着远离地1的第一方向延伸，至第一位置2311弯折，第二部232从第一位置2311起沿着第二方向延伸至第二位置2312弯折，第二方向与第一方向相交，第三部233从第二位置2312起沿着第三方向朝靠近地1的方向延伸，第三方向与第二方向相交；其中，第二部232的宽度从第一位置2311的第一宽度W1至第二位置2312的延伸方向逐渐变窄至第二宽度W2。

此处的第一方向、第二方向、第三方向相交，可以是垂直的关系，即第一方向与第二方向垂直、第二方向与第三方向垂直，而第一方向与第三方向平行，构成类似于U形结构，但不以此为限制，也可以是非垂直地，例如倾斜地相交。从第一宽度W1至第二宽度W2逐渐变窄，例如线性地变窄，斜率为30°左右，但不以此为限制。

采用以上实施例的有益效果在于，可以提高基于低功耗蓝牙信道探测采用相位测量及往返时间进行蓝牙定位的定位精度。具体可以参见图7所示的天线装置的相位特性的曲线图，以及图8所示的天线装置的延时特性的曲线图。如图7所示的，对于蓝牙定位的在工作频段2.4GHz-2.5GHz，工作频段内，相位变化基本呈现线性，如图8所示的，工作频段内，时延基本不变。而如以下表2所示的，在各个方向上，延时特性，亦基本没有变化，如以下表3所示的，在各个方向上，相位特性基本呈现线性。因此，在采用实施例的天线装置10用于低功耗蓝牙信道探测功能，同时通过相位测量及往返时间Round-Trip Time,RTT测量来进行距离估算并相互修正的蓝牙定位方案中，定位精度可到到厘米级，具体如表4所示。

表2：各个方向上的延时特性

表3：各个方向上的相位特性

表4：第一实施例的天线装置的低功耗蓝牙信道探测定位误差数据

取得较高的定位精度的有益效果的原理是以下之一或组合的作用，首先，由于第二部232的宽度从第一位置2311的第一宽度至第二位置2312的延伸方向逐渐变窄至第二宽度，即宽度是渐变的，通过渐变的天线结构，改善了天线的电流的平滑，减少了天线相位的不连续性，从而改善了天线的相位特性和时延特性。另外，如图6所示的，相比于图10所示的现有方案，实施例中介绍的天线装置10，天线的电流分布从直线型变成了一个回字型，同时，天线的末端靠近地板，从而增加了天线和地之间的终端电容耦合效应，使得辐射电流可以通过耦合的方式回到地，由于电流从单一的直线型，变化为可以回字型，从而各个方向上都有部分天线的辐射，从而改善了天线的方向性。另外，弯折的阵子天线使得天线结构小型化，由于本身谐振频率低于工作频段，因此在工作频段内，不存在有强烈的谐振特性，天线的辐射特性未有明显的突变。从而天线的相位特性和时延特性一致性达到较高水平。

优选地，在一些实施例中，第一宽度、第二宽度以及延伸长度的具体尺寸可以是，第一宽度为0.06-0.1倍的波长，例如5mm左右，第二宽度为0.01-0.03倍波长，例如1.5mm左右，第一部231从第一端21朝着远离地1的第一方向延伸的长度为0.13-0.17倍波长，例如9mm左右，第二部232从第一位置2311起沿着第二方向延伸至第二位置2312的延伸长度为0.18-0.28倍波长，例如14mm左右。如此可以进一步提高定位精度，并且对于印刷电路板天线而言可以节约空间。如图1所示的，天线装置10为印刷电路板天线，其以印刷电路的方式镀溅在一印刷电路板上。印刷电路板20的接地区域提供地1，印刷电路板20包括铺铜区210以及净空区220，天线阵子2位于净空区220。以上的铺铜区210、净空区220的含义与印刷电路板领域的通常含义类似，此处不再赘述。对比图10所示的现有技术的采用竖直延伸的天线阵子200的方案，一般长度在25mm-30mm，使得需要设置较大面积的净空区，而在以上实施例中介绍的天线装置10，例如第一实施例，承上所介绍的，其在竖直方向的延伸长度为第一部231从第一端21朝着远离地1的第一方向延伸的长度，即为9mm左右，相比图10而言减少了需要的净空区的面积，使得印刷电路板小型化、天线装置小型化。

参考图2A、图2B以及图3所示的，在一些实施例中，天线阵子2的数量，不以图1所示的一个为限制，也可以是多个。例如图2A、图2B所示的第二实施例、第三实施例分别示出的两个天线阵子2的结构多个天线阵子2对应设置于同一印刷电路板20的同一侧，其具体结构可以是如图2A、图2B所示的，印刷电路板20包括凸出部230，凸出部230的两侧分别设置有第一天线振子201、第二天线阵子202，形成多天线的结构。或者如图3所示的第四实施例，多个天线阵子2对应设置于同一印刷电路板20的相互远离的两侧。当天线装置10具有多个天线振子2，在一些实施例中，图2B所示的第一天线振子201、第二天线阵子202相互垂直，或者图3所示的第四实施例的第一天线振子201、第二天线阵子202位于使得两者相互远离的斜对角线，如此可以提供不同天线单元之间最佳极化差异或者方向图差异，可以有效的提升在多径干扰环境下的定位性能。在另一些实施例中，如图2A所示的，第一天线振子201、第二天线阵子202之间的夹角在60-120°范围内，如此的有益效果在于，其可以满足印刷电路板尺寸有限的场景，虽然其效果不如图2B、图3所示的相互垂直、相互远离的实施例，但其也可以提供有效的性能提升。

参考图4以及图5所示的，在一些实施例中，如图中所示的第五实施例，天线装置10的第一端21连接并联匹配有电容31，并且第一端21在靠近匹配电容的方向宽度逐渐减小。如此的有益效果在于，可以在尽量少的相位误差的基础上提高天线的匹配性能。其原理在于，电容匹配一致性好于电感匹配，并联匹配对相位的影响由于串联匹配，从而减少了匹配系统引入的相位误差。同时在匹配处，采用渐变线结构，减少因结构突变引起的不必要的相位抖动。

承上所介绍的，本申请的另一方面还提供了一种蓝牙定位方法，其采用以上实施例介绍的天线装置10获得相位以及时间信号，同时通过相位测量及往返时间测量进行距离计算，具体技术原理以及实现步骤可以参考本申请的背景技术部分提到的蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)发布的相关技术规范，在此不再赘述。

综上，采用以上的天线装置、蓝牙定位方法、无线通信装置以及系统的有益效果包括但不限于，提高基于低功耗蓝牙信道探测采用相位测量及往返时间进行蓝牙定位的定位精度。

提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本申请的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线装置(10)，其特征在于，包括：

天线振子(2)，包括第一端(21)、第二端(22)以及从所述第一端(21)至所述第二端(22)延伸的身部(23)，所述第一端(21)作为所述天线振子(2)的馈电端；

其中，所述第一端(21)、第二端(22)与地(1)之间具有间隙(40)；所述身部(23)包括第一部(231)、第二部(232)以及第三部(233)，所述第一部(231)从所述第一端(21)朝着远离所述地(1)的第一方向延伸，至第一位置(2311)弯折，所述第二部(232)从所述第一位置(2311)起沿着第二方向延伸至第二位置(2312)弯折，所述第二方向与所述第一方向相交，所述第三部(233)从所述第二位置(2312)起沿着第三方向朝靠近所述地(1)的方向延伸，所述第三方向与所述第二方向相交；

其中，所述第二部(232)的宽度从所述第一位置(2311)的第一宽度至第二位置(2312)的延伸方向逐渐变窄至第二宽度。

2.如权利要求1所述的天线装置(10)，其特征在于，所述第一宽度为0.06-0.1倍的波长，所述第二宽度为0.01-0.03倍波长，所述第一部(231)从所述第一端(21)朝着远离所述地(1)的第一方向延伸的长度为0.13-0.17倍波长，所述第二部(232)从所述第一位置(2311)起沿着第二方向延伸至第二位置(2312)的延伸长度为0.18-0.28倍波长。

3.如权利要求1所述的天线装置(10)，其特征在于，所述天线装置(10)为印刷电路板天线，印刷电路板(20)的接地区域提供所述地(1)，所述印刷电路板(20)包括铺铜区(210)以及净空区(220)，所述天线阵子(2)位于所述净空区(220)。

4.如权利要求3所述的天线装置(10)，其特征在于，所述天线装置(10)具有一个或多个所述天线振子(2)，当所述天线装置(10)具有多个所述天线振子(2)，多个所述天线阵子(2)对应设置于同一印刷电路板(20)。

5.如权利要求4所述的天线装置(10)，其特征在于，所述印刷电路板(20)包括凸出部(230)，所述凸出部(230)的两侧分别设置有第一天线振子(201)、第二天线阵子(202)，形成多天线的结构。

6.如权利要求1所述的天线装置(10)，其特征在于，所述天线装置(10)的第一端(21)连接并联匹配有电容(31)，并且所述第一端(21)在靠近所述匹配电容的方向宽度逐渐减小。

7.一种蓝牙定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任意一项所述的天线装置(10)，所述蓝牙定位方法包括，所述天线装置(10)获得相位以及时间信号，同时通过相位测量及往返时间测量进行距离计算。

8.一种无线通信装置(100)，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的天线装置(10)。

9.如权利要求8所述的无线通信装置(100)，其特征在于，包括壳体(30)，所述壳体(30)提供容纳空间(301)，所述天线装置(10)为印刷电路板天线，所述印刷电路板(20)位于所述容纳空间(30)内部。

10.一种无线通信系统，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的无线通信装置(100)。