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CN111864409A - 适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列 - Google Patents

适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列 Download PDF

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CN111864409A
CN111864409A CN202010750752.5A CN202010750752A CN111864409A CN 111864409 A CN111864409 A CN 111864409A CN 202010750752 A CN202010750752 A CN 202010750752A CN 111864409 A CN111864409 A CN 111864409A
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CN
China
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frequency band
indoor positioning
antenna array
positioning technology
yagi antenna
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CN202010750752.5A
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罗伟
白云皓
辜琦甫
范锐
黄文�
尹波
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Chongqing University of Post and Telecommunications
Original Assignee
Chongqing University of Post and Telecommunications
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Abstract

本发明涉及一种适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，属于室内定位技术领域，包括两行两列单元天线、与所述单元天线垂直设置的馈电网络，所述单元天线采用渐变式微带巴伦进行馈电。本发明阵列馈电相对简单，容易实现，加工成本低。阵列集成于印刷电路板上，阵列间间隔紧密，能很好实现小型化。高定向性方向图，高增益。适用于辅助室内蓝牙频段定位技术。

Description

适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天 线阵列
技术领域
本发明属于室内定位技术领域，涉及一种适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列。
背景技术
随着城市环境的日益复杂，人们对于城市导航定位的需求也越发迫切，先行的主流导航软件主要是以GPS为基础的导航系统，但是简单的定位无法面对复杂的室内环境，例如当人们进入了图书馆、大型商场等等，他们需要寻找电梯、厕所等等设施。GPS技术之所以在运用于室内时效果较差是由于GPS信号虽然覆盖范围较广，但是在穿过建筑物时卫星信号衰减严重，路径损耗大，与此同时卫星信号在室内会出现各种复杂的干扰，信号的定位效果较差，精度极低。WiFi，RFID及蓝牙定位等方法应运而生，定位算法是蓝牙与WiFi在室内定位中较为简易而有效的手段。由于室内环境中障碍物较多，信号在受限的空间中传播容易发生多次反射与折射，通过设计定向天线并引入蓝牙设备模块可以有效克服室内环境复杂因素，提高蓝牙在室内定位的精度。
现阶段室内定位系统多采用线极化天线，辐射线极化波，经反射后仍可以被天线接收；而对于圆极化波，若在传输过程中经过反射，其极化方向会产生反转从而导致信号无法被接收。所以若使用圆极化天线，可以减轻室内环境中电磁波的多径效应对接收信号的影响，从而提升定位精度。现阶段所应用的室内定位的天线有：球形天线、适用于WiFi频段的八木定向天线、WiFi/5G双频段的新型双圆环天线等。
目前常用的室内定位技术有WiFi，RFID、蓝牙及超宽带技术等，这些技术所用到的天线也都还存在着一些缺陷
(1)WiFi定位技术所用的天线有栅格天线、平板天线、双菱天线。WiFi天线所用的馈源增益高，都是用于点对点远距离，仅能在一个特定方向上传播，而且WIFi定位天线定位对象只能是无线终端设备，出于方便性及能耗因素考虑，此类型天线不适合大规模应用场景；
(2)RFID天线分为标签用天线和读写天线。RFID天线的选择必须使他的阻抗与自由空间的ASIC匹配，标签天线虽体积小，成本低，但在定位精度上性能不强，传输距离短，且易受室内环境的影响，当应用于仓库等大型场所使用的时候，天线的辐射模式会出现严重失真；
(3)蓝牙iBeacon所用的天线有三种：PCB天线、IPEX天线、陶瓷天线。PCB天线插入损耗高效率低，并且容易受到主板上的干扰；IPEX天线的插损小，信号的方向指向性好，但是成本高，组装麻烦；陶瓷天线由于本身的介电常数比PCB电路板的要高，所用陶瓷天线可以有效缩小天线的尺寸；
(4)超宽带技术虽能达到厘米级别的定位精度，所要求的超宽带天线性能极高，有着非常高的建设成本，限制了该类型天线在实际中的运用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种馈电方式简单、容易实现、小型化、低加工成本、高增益、高方向性并且能有效覆盖2.4GHz-2.485GHz蓝牙频段，适用室内蓝牙定位技术的高增益平面式阵列天线。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，包括两行两列单元天线、与所述单元天线垂直设置的馈电网络，所述单元天线采用渐变式微带巴伦进行馈电。
进一步，所述单元天线包括介质基板，在所述介质基板上与馈电网络连接的一端，正反两面均设有反射贴片和激励阵子，采用渐变式结构连接微带线与激励阵子，所述微带线还与反射贴片连接；所述正反两面的反射贴片通过金属圆柱连接，在所述激励阵子远离反射贴片的一侧设有多个引向阵子。
进一步，所述馈电网络包括介质基板，所述介质基板上设有一分四Wilkinson功分器，所述一分四Wilkinson功分器的输出端口设有隔离电阻。
进一步，所述隔离电阻阻值为100Ω。
进一步，还包括接地板，所述接地板设置在馈电网络介质基板上远离单元天线的一面。
进一步，所述接地板为铜片接地板。
进一步，所述介质基板为双面敷铜的玻璃纤维板。
进一步，所述馈电网络为巴特勒矩阵。
进一步，所述天线阵列的中心频率为2.45GHz。
本发明的有益效果在于：
1.阵列馈电相对简单，容易实现，加工成本低。
2.阵列集成于印刷电路板上，阵列间间隔紧密，能很好实现小型化。
3.高定向性方向图，高增益。
4.适用于辅助室内蓝牙频段定位技术。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为微带准八木天线单元结构示意图；
图2为一分Wilkinson四功分器结构示意图；
图3为阵列天线俯视图；
图4为阵列天线与功分器相对位置(垂直于端口侧视图)；
图5为阵列天线整体结构；
图6为微带准八木天线反射系数图；
图7为阵列天线反射系数图；
图8为二维增益方向图(沿z轴方向)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
一种适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，方案中平面式微带准八木天线阵列由4个微带准八木天线单元构成，天线阵列的中心频率为2.45GHz，结构的介质基板材质是双面敷铜的玻璃纤维板(FR4)，地面由一层铜皮构成。微带准八木天线采用微带线馈电，在介质基板正面印刷右侧激励阵子，背面印刷右侧激励阵子，与反射贴片通过微带线相连；激励阵子前端放置了五个引向阵子(长37mm，宽3.7mm),介质板正反面印刷反射贴片作为反射阵子(长60mm，宽7mm)；上下反射贴片间利用半径为1mm的金属圆柱连接；上述单元天线都印刷在尺寸为120mm×60mm，厚度为0.8mm的FR4板上。
由下往上分别是铜皮接地板，介质基板，一个一分四Wilkinson功分器，四个微带准八木天线单元。
微带准八木天线单元正反面反射贴片间利用半径为1mm的金属圆柱连接，目的是使左、右侧的激励单元形成半个周期相位差。
微带准八木天线单元馈电方式采用渐变式微带巴伦进行馈电：两个激励阵子分别印制在介质基板的正反面，并采用渐变式结构将微带线和激励阵子相连。微带准八木天线单元具体结构参看图1。
馈电网络采用的是一分四Wilkinson功分器，相比于传统的T型功分器，在两个输出端口间添加了100Ω的隔离电阻，实现信号链路的高度匹配以及输出端口间的高隔离度。此设计的馈电网络4个端口间隔离度皆小于-10dB，可以达到实际工程的标准。
进行组阵设计时，将单元天线的介质基板垂直于馈电网络(一分四Wilkinson功分器)的介质基板平面，馈电网络输出端口连接至单元天线的馈电端口。单元天线与馈电网络相对位置参看图3、图4，组阵具体模型参看图5。
在馈电网络的介质板背面印刷铜片接地板，此时馈电网络的接地板也充当平面式微带准八木天线阵列的反射板，即可获得更高增益的波束以及定向辐射特征，有助于实现蓝牙高精度定位。馈电网络具体结构参看图2。
馈电网络部分，采用微带馈线设计的一分四功分器还可以由巴特勒矩阵代替。
天线阵列的最大增益为13.9dBi，波束为高定向波束。有效带宽为340MHz。
结构设计简单，便于加工，表现出了高定向，高增益，小型化，易实现的效果。能很好地适用于室内蓝牙定位技术的应用，详细数据见图6-图8。
本发明具有以下特点：
1.采用平面微带准八木天线单元建立天线阵，阵列由2行2列阵元组成。
2.微带准八木天线单元馈电方式采用渐变式微带巴伦进行馈电。
3.微带准八木天线单元采用渐变式结构将微带线和激励单元相连。
4.微带准八木天线单元上下反射贴片采用金属圆柱相连，可以使左、右侧阵子实现1/2周期相差。
5.采用4等分功分器连接微带准八木天线单元，获得更为集中的波束及更强的方向性。
6.通过加入隔离电阻实现各端口的高隔离度，防止各端口间耦合程度过大而影响整体结果。
7.阵列天线连接通过单元天线垂直于馈电网络的连接方法，利用馈电网络的接地板同时作为单元天线的反射阵子实现单元天线的端射方向与阵列的端射方向统一，从而实现阵列天线辐射方向统一。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：包括两行两列单元天线、与所述单元天线垂直设置的馈电网络，所述单元天线采用渐变式微带巴伦进行馈电。
2.根据权利要求1所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：所述单元天线包括介质基板，在所述介质基板上与馈电网络连接的一端，正反两面均设有反射贴片和激励阵子，采用渐变式结构连接微带线与激励阵子，所述微带线还与反射贴片连接；所述正反两面的反射贴片通过金属圆柱连接，在所述激励阵子远离反射贴片的一侧设有多个引向阵子。
3.根据权利要求1所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：所述馈电网络包括介质基板，所述介质基板上设有一分四Wilkinson功分器，所述一分四Wilkinson功分器的输出端口设有隔离电阻。
4.根据权利要求3所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：所述隔离电阻阻值为100Ω。
5.根据权利要求3所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：所述介质基板为双面敷铜的玻璃纤维板。
6.根据权利要求3所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：还包括接地板，所述接地板设置在馈电网络介质基板上远离单元天线的一面。
7.根据权利要求6所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：所述接地板为铜片接地板。
8.根据权利要求1所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：所述馈电网络为巴特勒矩阵。
9.根据权利要求1所述的适用于室内定位技术的蓝牙频段平面式高增益微带准八木天线阵列，其特征在于：所述天线阵列的中心频率为2.45GHz。
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