CN210093570U

CN210093570U - 用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列及定位系统

Info

Publication number: CN210093570U
Application number: CN201921360080.6U
Authority: CN
Inventors: 杨永辉; 何廷万; 刘宏罡; 董余乐; 谢晓博
Original assignee: V Power Information Technology Co ltd
Current assignee: V Power Information Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2029-08-20

Abstract

本实用新型适用于蓝牙技术领域，提供一种用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，包括一个中心天线和N个外围天线，中心天线的中心位于半径为R的圆心上，N个外围天线的中心对称分布在半径为R的圆上，其中，R＜1/2λ，λ为蓝牙波长；N为大于2的整数。该蓝牙天线阵列中距离最远的两个天线为在同一条直径上的两个外围天线，二者之间距离为2R，由于R＜1/2λ，因此2R小于蓝牙波长，因此该蓝牙天线阵列中的所有天线均能够直接参与对接收信号的角度计算，提高了蓝牙天线阵列定位的精度。

Description

用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列及定位系统

技术领域

本实用新型属于蓝牙技术领域，尤其涉及一种用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列及定位系统。

背景技术

近年来，随着用户需求的增加，无线定位技术受到越来越多的关注，推动了对无线定位技术的研究及测距技术的发展。实现无线定位主要有两大类解决方案：

第一类是由移动站主导的定位技术，单从技术角度讲，这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息，它可以利用现有的一些定位系统，例如，在移动站中集成GPS接收机，从而利用现成的GPS信号实现对用户的精确定位。但这类技术需要在移动站上增加新的硬件，这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。

第二类是由基站主导的定位技术，这种解决方案需要对现存的基站、交换中心作出某种程度的改进，但它可以兼容现有的终端设备。其可选用的具体实现技术主要包括：AOA(Angle of Arrival，到达角度测量)定位技术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性的定位技术。

AOA测量是一种在蜂窝网比较常用的定位技术。这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。对于一个基站来讲，AOA测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量AOA所得的方向直线的焦点就是移动站所在的位置。尽管这种定位方法的原理非常简单，但在实际的应用中存在一些难以克服的缺点：AOA测量要求被测量的移动站与参与测量的所有基站之间，射频信号是视线传输(Line Of Sight：LOS)的，非视线传输(NLOS)将会给AOA测量带来不可预测的误差。即使是在以LOS传输为主的情况下，射频信号的多径效应(multipath effect)依然会干扰AOA的测量。所谓多径效应(multipath effect)是指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。比如电磁波沿不同的两条路径传播，而两条路径的长度正好相差半个波长，那么两路信号到达同一个终点时正好波峰与波谷重合，造成相互抵消，电磁波信号消失。

而当前流行的短距离无线通信协议标准主要有蓝牙(IEEE 802.15.1)、ZigBee(IEEE 802.15.4)、Wi-Fi(IEEE 802.11)这三种。从应用的角度来看，蓝牙技术是为取代个人电子设备间的有线连接，蓝牙协议已经发展到Bluetooth4.1版本，具有超低功耗和广泛的手机移动终端产业链支持，用户不需要添置手机外的任何设备就可以进行连接，蓝牙的主要问题是数据速率比较低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列及定位系统，具有定位精准度高的特点。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，包括一个中心天线和N个外围天线，所述中心天线的中心位于半径为R的圆心上，N个所述外围天线的中心对称分布在半径为R的圆上，其中，R＜1/2λ，λ为蓝牙波长；N为大于2的整数。

在一种实施方式中，所述N等于8。

在一种实施方式中，相邻的两个所述外围天线的夹角为45°。

在一种实施方式中，所述外围天线包括两个馈入点，所述中心天线包括一个馈入点。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种定位系统，包括至少一个发射端装置和至少一个接收端装置：

所述发射端装置包括第一电路板、以及设置于所述第一电路板上的发射天线和第一蓝牙芯片，所述发射天线和所述第一蓝牙芯片电连接；

所述接收端装置包括第二电路板、以及设置于所述第二电路板上的蓝牙天线阵列和第二蓝牙芯片，所述蓝牙天线阵列和所述第二蓝牙芯片电连接，所述蓝牙天线阵列为上述所述的蓝牙天线阵列。

在一种实施方式中，定位系统还包括计算模块，设置于所述第二电路板上，与所述第二蓝牙芯片电连接，用于计算所述蓝牙天线阵列所接受到的信号参数得到所述发射端装置的精确位置信息。

在一种实施方式中，所述信号参数是根据所述中心天线和所述外围天线所得到的信号相位和信号角度。

在一种实施方式中，所述蓝牙天线阵列通过微带线和所述第二蓝牙芯片实现电连接。

本实用新型实施例通过设计用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，该蓝牙天线阵列中距离最远的两个天线为在同一条直径上的两个外围天线，二者之间距离为2R，小于蓝牙波长，因此该蓝牙天线阵列中的所有天线均能够直接参与对接收信号的角度计算，提高了蓝牙天线阵列定位的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的蓝牙定位原理图；

图2是本实用新型实施例提供的现有技术中蓝牙天线阵列的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的蓝牙天线阵列的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的单组蓝牙天线阵列定位原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、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。

如图1所示，在平面上选取两个天线，两个天线的中心分别为A和B，C为信号发射源，CD＝CB。由于C点发射的信号到A点比B点多走了距离为AD，因此A和B接收的C点发射信号的相位不同。

AD＝λ*(2kπ+Φ_A-Φ_B)/(2π)(k＝1,2,3,4……)

其中Φ_A为天线A接收到信号的相位，Φ_B为天线B接收到信号的相位。

由三角形两边之差小于第三边可知AD＜AB，令AB＜λ，则AD＜λ。

AD＝λ*(Φ_A-Φ_B)/(2π)

由此可以看出，两个天线的间距小于一个蓝牙波长可以把相位控制在一个周期内，因此，只有两个天线的间距控制在小于一个蓝牙波长，才能够参与到定位的计算中去。

如图2所示现有技术中的蓝牙天线阵列为矩形阵列，此种设计外围天线的中心和中心天线的中心距离为1/2λ，矩形对角线的两个天线的阵列间距为

大于一个蓝牙波长，因此矩形阵列中对角线的两个天线无法参与到计算中。

如图3所示，本实用新型设计了一种用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，包括一个中心天线和N个外围天线，中心天线的中心位于半径为R的圆心上，N个外围天线的中心对称分布在半径为R的圆上，其中，R＜1/2λ，λ为蓝牙波长；N为大于2的整数。

该蓝牙天线阵列中距离最远的两个天线为在同一条直径上的两个外围天线，二者之间距离为2R，由于R＜1/2λ，因此2R小于蓝牙波长，因此该蓝牙天线阵列中的所有天线均能够直接参与对接收信号的角度计算，提高了蓝牙天线阵列定位的精度。

在一个实施例中，N等于8，相邻的两个外围天线的夹角为45°。

多基站部署时可以用角度定位方式，利用多个基站的角度进行三角定位，此时基站输出值是角度而不是三维坐标，该角度可近似为双曲线的渐近线与x轴的夹角，扩展到三维时的立体角是该渐近线绕x轴旋转得到的一个圆锥面。

本实用新型设计的蓝牙天线阵列过直径8个方向的任意一个方向上都有三个天线，都可以用两个相位差取平均值，计算以该直径为轴的圆锥面立体角，并且根据8个不同方向圆锥面立体角，求出最佳角度(圆锥面交线的平均位置)。

在一个实施例中单基站定位采用PDOA(Phase Difference of Arrived)算法，如下：

取图3中蓝牙天线阵列中的ANT0、ANT1、ANT2、ANT3，如图4所示，为简化计算把坐标原点建在圆心处，半径记为R，假设信号源在上方球体H(x，y，z)点：

H点到A1距离与H点到A0距离的差为：

HA_1,0＝HA₁-HA₀＝λ*φ_1,0/2π＝λ*(φ₁-φ₀)/2π，其中，HA₁为H点到A1的距离，HA₀为H点到A0的距离，φ₁为天线ANT1接收信号的相位值，φ₀为天线ANT0接收信号的相位值。

H点到A2距离与H点到A0距离的差为：

HA_2,0＝HA₂-HA₀＝λ*φ_2,0/2π＝λ*(φ₂-φ₀)/2π，其中，HA₂为H点到A2的距离，HA₀为H点到A0的距离，φ₂为天线ANT2接收信号的相位值，φ₀为天线ANT0接收信号的相位值。

H点到A3距离与H点到A0距离的差为：

HA_3,0＝HA₃-HA₀＝λ*φ_3,0/2π＝λ*(φ₃-φ₀)/2π，其中，HA₃为H点到A3的距离，HA₀为H点到A0的距离，φ₃为天线ANT3接收信号的相位值，φ₀为天线ANT0接收信号的相位值。

由以上公式可以得出三组双曲面方程为：

其中，i＝1,2,3，此时问题转换成解双曲线方程，解法如下：

设A_i(x_i，y_i，0)，i＝0，1，2，3，则：

将式(1)进行平方，有：

HA_i ²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²+z²

＝x_i ²+y_i ²-2x_ix-2y_iy+x²+y²+z² (2)

由HA_i,0＝HA_i-HA₀，有：

HA_i ²＝(HA_i,0+HA₀)² (3)

将式(3)带入到式(2)中，有：

HA_i,0 ²+HA₀ ²+2HA_i,0HA₀＝x_i ²+y_i ²-2x_ix-2y_iy+x²+y²+z² (4)

当i＝0时，有：

HA₀ ²＝x₀ ²+y₀ ²-2x₀x-2y₀y+x²+y²+z²＝x²+y²+z² (5)

式(4)-式(5)，有：

HA_i,0 ²+2HA_i,0HA₀＝x_i ²+y_i ²-2x_ix-2y_iy (6)

设HA_1,0＝a，HA_2,0＝b，HA_3,0＝c,HA₀＝l时，分别将i＝1,2,3时H的坐标(x_i，y_i，0)带入式(6)中：

a²+2al＝R²-2Ry (7)

由式(7)、式(8)和式(9)，得到：

将(10)带入(7)中，得到：

根据式(8)、式(9)和式(10)，得到：

将(11)、(12)和(13)带入到(5)中，得到：

由此，得到x，y，z，l，可以得出H的坐标，实现H点的定位。

在一个实施例中，外围天线包括两个馈入点，中心天线包括一个馈入点。

在双馈点设计中，天线馈点之间的距离和天线之间的距离可以保证取到相等值且方向一致，单馈点设计不能保证。

例如，在取阵列天线中4天线(一个中心天线，3个外围天线)进行计算时，消除馈点距离和方向不一致引入的误差。

本实用新型还公布了一种定位系统，包括至少一个发射端装置和至少一个接收端装置：发射端装置包括第一电路板、以及设置于第一电路板上的发射天线和第一蓝牙芯片，发射天线和第一蓝牙芯片电连接；接收端装置包括第二电路板、以及设置于第二电路板上的蓝牙天线阵列和第二蓝牙芯片，蓝牙天线阵列和第二蓝牙芯片电连接，蓝牙天线阵列为上述的蓝牙天线阵列。定位系统还包括计算模块，设置于第二电路板上，与第二蓝牙芯片电连接，用于计算蓝牙天线阵列所接受到的信号参数得到发射端装置的精确位置信息。信号参数是根据中心天线和外围天线所得到的信号相位和信号角度。蓝牙天线阵列通过微带线和第二蓝牙芯片实现电连接。

发射端装置开启广播模式，第一蓝牙芯片控制发射天线以发射信号周期发送蓝牙信号；与发射端装置在一定距离内的接收端装置开启扫描模式，蓝牙天线阵列的每根天线根据第二蓝牙芯片内预定的天线切换周期来确认是否工作，天线切换周期与发射端装置的发射信号周期相符，即可以看作多根天线“同时”接收到蓝牙信号；同时由于蓝牙天线的圆形设计，可以保证多根天线接收到的信号在同一个波工周期内。接收端装置的蓝牙天线阵列在接收到蓝牙信号后，将所接收到的蓝牙信号输送至第二蓝牙芯片，第二蓝牙芯片将该信号发送给计算模块，计算模块将各个天线的蓝牙信号转化为各天线所接收到的信号相位与信号角度等信号参数，根据各个天线的这些信号参数，即可计算得到发射端装置的精确位置信息。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，其特征在于，包括一个中心天线和N个外围天线，所述中心天线的中心位于半径为R的圆心上，N个所述外围天线的中心对称分布在半径为R的圆上，其中，R＜1/2λ，λ为蓝牙波长；N为大于2的整数。

2.根据权利要求1所述的用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，其特征在于，所述N等于8。

3.根据权利要求2所述的用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，其特征在于，相邻的两个所述外围天线的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的用于测量蓝牙载波相位和相位差的天线阵列，其特征在于，所述外围天线包括两个馈入点，所述中心天线包括一个馈入点。

5.一种定位系统，包括至少一个发射端装置和至少一个接收端装置，其特征在于：

所述接收端装置包括第二电路板、以及设置于所述第二电路板上的蓝牙天线阵列和第二蓝牙芯片，所述蓝牙天线阵列和所述第二蓝牙芯片电连接，所述蓝牙天线阵列为权利要求1～4任一项所述的蓝牙天线阵列。

6.根据权利要求5所述的定位系统，其特征在于，还包括计算模块，设置于所述第二电路板上，与所述第二蓝牙芯片电连接，用于计算所述蓝牙天线阵列所接受到的信号参数得到所述发射端装置的精确位置信息。

7.根据权利要求6所述的定位系统，其特征在于，所述信号参数是根据所述中心天线和所述外围天线所得到的信号相位和信号角度。

8.根据权利要求5所述的定位系统，其特征在于，所述蓝牙天线阵列通过微带线和所述第二蓝牙芯片实现电连接。