超宽带三元天线阵的制作方法

1.本实用新型属于涉及天线技术领域，具体涉及一种超宽带三元天线阵。


背景技术：

2.全球四大卫星导航系统能室外空旷环境进行精确的定位，然而有建筑物遮挡的室内环境时，基本丧失定位能力。人们约80％的时间都活动在室内，因此室内定位导航服务有着广泛需求。
3.uwb(超宽带)是近几年新兴的室内定位技术，该类系统利用超宽带脉冲信号进行信息传递，同时利用该脉冲信号良好的时间分辨率进行toa测量，进而实现多基站tdoa定位。uwb室内定位系统由于其信号特点，在抗多径、低复杂度、时间同步等方面具有先天性优势，其室内定位精度通常优于1m。通常tdoa定位至少需要4个基站，不适合小房间、小区域定位，单基站定位更适合这样的环境，可以减少施工、降低成本。
4.天线阵是单基站定位必不可少的部分，如果天线阵设计不合理会对定位效果影响较大。
5.在中国专利文献cn103247845a中，公开了一种宽角扫描圆极化相控阵天线子阵，采用微带结构的直角线阵，微带天线是定向辐射，且微带天线很难实现500mhz带宽，不仅不适合顶挂安装，也不能实现超宽带，而且直角线阵测角时最大覆盖270
°
，因此不适合用于超宽带单基站定位产品。
6.在中国专利文献cn107732441a和cn207199831u中，公开的是两个线性阵组成的波束上仰高增益全向天线，主要是提高天线增益，且多阵元采用阻抗线和射频电缆连接最终组成的仅是一个天线，而不是天线阵，单个天线是无法完成测角的，还有阵元天线是通过阻抗线连接，很难使天线带宽大于500mhz。
7.此外，在中国专利文献cn109687170a中，公开了一种小型三元多面化四臂螺旋天线阵，将三个阵元放置在金属三棱锥体上面，还使用功分组件，将每个四臂螺旋天线连接起来，最终还是只有一个射频接口，即还是一个单天线，此天线可使水平、垂直方向都有良好的辐射，但并不是天线阵列，所以也无法用于测角产品中，且该天线带宽也很难大于500mhz，也不能用于超宽带产品中。


技术实现要素：

8.本实用新型要解决的技术问题是提供一种超宽带三元天线阵，能够适合用于超宽带单基站定位产品中，具有全向性辐射、增益大、带宽大于1ghz，可实现360
°
测角的优点。
9.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，该超宽带三元天线阵，包括有介质板和金属地，所述金属地印刷在所述介质板正面；还包括有三个阵元，每个阵元包括有金属阵子、微带线、射频接头、金属阵子圆形缝隙、射频接头圆形缝隙、与所述射频接头连接的馈针和焊盘；其中，所述金属阵子位于所述金属地的上方，所述微带线印刷在所述介质板的反面，所述金属阵子通过所述金属阵子圆形缝隙焊接在所述微带线的一端，所述馈针
穿过所述射频接头圆形缝隙与所述微带线的另一端连接并焊在所述焊盘上；所述的三个阵元的阵元天线阻抗带宽大于1ghz，所述的三个阵元组成圆形阵；所述金属阵子为单极子结构。
10.采用三个阵元组成圆形阵，三个阵元中的金属阵子位于同一个金属地上，其在不增加天线尺寸即可组成三元天线阵，不仅减小了天线尺寸，还更有利于天线阵内置，从而减小产品尺寸；金属阵子是天线辐射体，采用单极子结构，不仅增加天线辐射增益，还能实现三元天线阵全向辐射，因此用于超宽带单基站定位产品中时，可以提高定位精度，降低终端设备不同姿态时对定位效果的影响；上述技术方案的超宽带三元天线阵具有全向性辐射，增益大，尺寸小，高度低等优点；不仅实现全向辐射，阻抗带宽大于1ghz，还可在测角时覆盖360
°ꢀ
(不止受定向天线辐射影响只能180
°
定位)；采用单极子结构，可以顶挂安装。
11.优选的，所述金属阵子由圆柱体一、圆柱体二和圆柱体三组成；其中，所述圆柱体二和所述圆柱体三为两节阶梯圆柱形结构，使得所述金属阵子插入所述介质板中；所述圆柱体一为空心结构。
12.金属阵子采用两节阶梯圆柱形结构设计使金属阵子插入介质板时，不需要绝缘介质就可以实现阶梯结构，从而实现超宽带。这样的设计不仅可以满足超宽带的带宽要求，还可以降低加工成本，简化组成工艺；圆柱体一为空心结构设计不仅节约材料成本还可以降低金属阵子本身的重量，使实际使用时不止于由于金属阵子较重而脱落，还可以降低加工成本，简化组成工艺。
13.优选的，所述的三个阵元具有三个金属阵子，分别是金属阵子一、金属阵子二和金属阵子三；所述金属阵子一、所述金属阵子二和所述金属阵子三以所述介质板的几何中心为圆心，均匀间隔分布在圆周上，且位于所述介质板上方。
14.金属阵子均匀间隔分布在圆周上，向外辐射均匀，信号更加稳定。
15.优选的，所述的三个阵元具有三个微带线，分别是微带线一、微带线二和微带线三；三个阵元，分别设置三个微带线，互不干扰。
16.优选的，所述的三个阵元具有三个射频接头，分别是射频接头一、射频接头二和射频接头三；
17.所述射频接头一、射频接头二、射频接头三以所述介质板的几何中心为圆心，均匀间隔分布在圆周上，且位于所述介质板的下方。
18.射频接头均匀间隔分布在圆周上，信号更加稳定。
19.优选的，所述的三个阵元具有三个金属阵子圆形缝隙，分别是金属阵子圆形缝隙一、金属阵子圆形缝隙二和金属阵子圆形缝隙三。
20.优选的，所述的三个阵元具有三个射频接头圆形缝隙，分别是射频接头圆形缝隙一、射频接头圆形缝隙二和射频接头圆形缝隙三。
21.优选的，所述的三个阵元具有三个馈针，分别是馈针一、馈针二和馈针三。
22.优选的，所述金属阵子和所述射频接头有间距，且所述金属阵子和所述射频接头位于同一个圆周；所述金属阵子圆形缝隙和所述频接头圆形缝隙均是在所述金属地上开的圆形缝隙。
23.金属阵子和所述射频接头有间距，避免信号干扰；所述金属阵子和所述射频接头位于同一个圆周，使得超宽带三元天线阵在不同频点获得最大增益。
24.优选的，所述射频接头采用直插mcx母座射频接头，所述射频接头的接地焊接在所述金属地上；所述介质板采用fr4板材，板厚为1.2mm。
25.优选的，所述金属阵子高度为l，最大直径为r；所述金属地的直径为rg，满足 l＝0.24*λ0，r＝(0.047～0.067)*λ0，rg＝1.7*λ0，其中，λ0为自由空间波长。
26.优选的，所述的三个阵元的阵元天线阻抗带宽3.1ghz-5.1ghz。
27.与现有技术相比，本实用新型的超宽带三元天线阵，其在组成三元天线阵同时，能够不增加天线底板尺寸，且满足全向性辐射，从而方便内置，减小产品尺寸。
附图说明
28.下面结合附图和本实用新型的实施方式进一步详细说明：
29.图1是本实用新型的超宽带三元天线阵中的金属阵子结构示意图；
30.图2是本实用新型的超宽带三元天线阵中应用的单元天线结构示意图；
31.图3是图2的侧视结构示意图；
32.图4是本实用新型的超宽带三元天线阵的结构示意图；
33.图5是图4的俯视图结构示意图；
34.图6是本实用新型的超宽带三元天线阵的三元天线阵s参数；
35.图7是本实用新型的超宽带三元天线阵应用的三元天线阵4ghz的e面方向图；
36.图8是本实用新型的超宽带三元天线阵应用的三元天线阵在theta＝60
°
时4ghz的h面方向图；
37.其中：1-金属阵子，100-圆柱体一、101-圆柱体二、102-圆柱体三，103-金属阵子一，104
‑ꢀ
金属阵子二，105-金属阵子三；2-微带线，201-微带线一、202-微带线二、203-微带线三；3
‑ꢀ
金属地；4-介质板；5-射频接头，500-射频接头介质，501-射频接头接地，502-射频接头一， 503-射频接头二、504-射频接头三；6-金属阵子圆形缝隙，601-金属阵子圆形缝隙一、602-金属阵子圆形缝隙二、603-金属阵子圆形缝隙三；7-射频接头圆形缝隙，701-射频接头圆形缝隙一、702-射频接头圆形缝隙二、703-射频接头圆形缝隙三；8-馈针，801-馈针一、802-馈针二、 803-馈针三；9-焊盘，901-焊盘一，902-焊盘二，903-焊盘三。
具体实施方式
38.本实用新型的超宽带三元天线阵，包括有介质板4和金属地3，金属地3印刷在所述介质板4正面，还包括有三个阵元，每个阵元包括有金属阵子1、微带线2、射频接头5、金属阵子圆形缝隙6、射频接头圆形缝隙7、与所述射频接头5连接的馈针8(可以理解为馈针8 属于射频接头5的一部分；馈针8是射频接头5内导体，射频接头介质500是射频接头5介质，射频接头接地501是射频接头5接地引脚，射频接头接地501焊接在金属地3上)和焊盘9；其中，所述金属阵子1位于所述金属地3的上方，所述微带线2印刷在所述介质板4 的反面，所述金属阵子1通过所述金属阵子圆形缝隙6焊接在所述微带线2的一端，所述馈针8穿过所述射频接头圆形缝隙7与所述微带线2的另一端连接并焊在所述焊盘9上，图2-3 所示，是一个阵元(单元天线)的结构示意图；所述的三个阵元的阵元天线阻抗带宽大于1ghz，所述的三个阵元组成圆形阵，如图4-5所示。
39.如图1所示，所述金属阵子1由圆柱体一100、圆柱体二101和圆柱体三102组成；其
中，所述圆柱体二101和所述圆柱体三102为两节阶梯圆柱形结构，使得所述金属阵子1插入所述介质板4中；所述圆柱体一100为空心结构，在本实施例中，金属阵子1的材料为黄铜。
40.本实施例的超宽带三元天线阵，有三个阵元，具有三个金属阵子，分别是金属阵子一103、金属阵子二104和金属阵子三105；所述金属阵子一103、所述金属阵子二104和所述金属阵子三105以所述介质板4的几何中心为圆心，均匀间隔分布在圆周上，且位于所述介质板4 上方；三个阵元具有三个微带线，微带线特性阻抗为50ω，分别是微带线一201、微带线二 202和微带线三203；三个阵元具有三个射频接头，分别是射频接头一502、射频接头二503 和射频接头三504；
41.所述射频接头一502、射频接头二503、射频接头三504以所述介质板4的几何中心为圆心，均匀间隔分布在圆周上，且位于所述介质板4的下方；
42.三个阵元具有三个金属阵子圆形缝隙，分别是金属阵子圆形缝隙一601、金属阵子圆形缝隙二602和金属阵子圆形缝隙三603；
43.三个阵元具有三个射频接头圆形缝隙，分别是射频接头圆形缝隙一701、射频接头圆形缝隙二702和射频接头圆形缝隙三703。
44.三个阵元具有三个馈针，分别是馈针一801、馈针二802和馈针三803；
45.金属阵子一103穿过所述金属阵子圆形缝隙一601与所述微带线一201一端焊接，馈针一801穿过所述射频接头圆形缝隙一701与所述微带线一201另一端连接；金属阵子二104 穿过所述金属阵子圆形缝隙二602与所述微带线二202一端焊接，馈针二802穿过所述射频接头圆形缝隙二702与微带线二202另一端连接；金属阵子三105穿过所述金属阵子圆形缝隙三603与所述微带线三203一端焊接，馈针三803穿过所述射频接头圆形缝隙三703与所述微带线三203另一端连接；其中，金属阵子圆形缝隙一601、金属阵子圆形缝隙二602、金属阵子圆形缝隙三603、射频接头圆形缝隙一701、射频接头圆形缝隙二702和射频接头圆形缝隙三703均是在金属地3上开的圆形缝隙。
46.每个阵元中的金属阵子1和射频接头5有间距，且所述金属阵子1和所述射频接头5位于同一个圆周；所述金属阵子圆形缝隙6和所述射频接头圆形缝隙7均是在所述金属地3上开的圆形缝隙。
47.射频接头5采用直插mcx母座射频接头，所述射频接头的接地(即射频接头接地501) 焊接在所述金属地3上；所述介质板采用fr4板材，板厚为1.2mm。
48.超宽带天线关键参数主要由天线工作的低频点对应自由空间波长初步计算确定：
[0049][0050]
c为电磁波在真空中传播速度，f0为工作频率；金属阵子高度为l，最大直径为r；所述金属地的直径为rg，满足l＝0.24*λ0，
[0051]
r＝(0.047～0.067)*λ0，rg＝1.7*λ0，其中，λ0为自由空间波长。
[0052]
三个阵元的阵元天线阻抗带宽3.1ghz-5.1ghz。
[0053]
本实用新型实施例的超宽带三元天线阵，中心频率为4ghz，阻抗带宽1ghz；天线阵使用hfss13.0软件建模，仿真并优化，最终尺寸参数见如下的表1、表2：
[0054]
表1金属阵子尺寸参数
[0055][0056]
表2介质板尺寸参数
[0057][0058]
附图6为本实施例的超宽带三元天线阵s参数，由于天线的对称性及互易性，端口1反射参数s11和端口2反射参数s22相同，端口1与端口2之间的隔离度s12、s21相同，由图中还可看出天线阵端口反射s11和s22在3.1ghz-5.1ghz时均小于-10db，天线阵端口隔离度s12、s21小于-12db。
[0059]
附图7为超宽带三元天线阵4ghz的e面方向图，由图中看出在phi＝0
°
和phi＝90
°
时方向图并不一致，这是由于三个阵元以120
°
相差组成的园阵造成。
[0060]
附图8为超宽带三元天线阵在theta＝60
°
时4ghz的h面方向图，从图中可以看出h面方向图在phi为30
°
、150
°
、-90
°
时增益最大，因此辐射方向图符合超宽带单基站测角时的需要。
[0061]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。