微带天线和定位系统的制作方法

1.本发明实施例涉及天线技术，尤其涉及一种微带天线和定位系统。


背景技术：

2.天线作为无线通信系统中发射及接收信息的载体，是无线通信系统中的关键部件之一，其性能优劣直接影响无线通信系统的技术指标。对于应用到基于到达角(angle-of-arrival，aoa)的定位系统来说，不仅对天线机械性能、电路参数、幅度方向图具有很高要求，而且对相位方向图的各向一致性也提出了更高的要求。
3.微带天线相比于其他天线具有一些独特的优点，例如重量轻，低剖面，易集成，组装方便，焊点少等，但是普通的微带天线属于谐振天线，q值较高，具有频带窄的缺点，它的相对带宽最宽只能达到0.6～3％，且应用于通信系统的天线，暂未考虑阵列天线各阵元的相位一致性，无法应用于基于aoa定位的系统中，限制了微带天线在通信定位一体化天线中的应用。


技术实现要素：

4.本发明提供一种微带天线和定位系统，用于提供一种带宽较高，体积较小，且交叉极化高的天线。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种微带天线，包括：
6.介质基板和分别位于介质基板两侧的辐射层和接地层；
7.辐射层包括至少两个相同的辐射单元和一个馈电单元，辐射单元为中间具有圆形镂空的矩形金属片，至少两个辐射单元通过馈电单元耦合馈电，每个辐射单元通过短路枝节与邻近的辐射单元连接；
8.接地层为覆盖介质基板一侧的金属片；
9.馈电单元与微带天线的馈电端口连接。
10.在第一方面一种可能的实现方式中，辐射单元的辐射电流长度基于微带天线工作频段对应波长的二分之一设计。
11.在第一方面一种可能的实现方式中，辐射单元为偶数个，至少两个辐射单元排列为矩形。
12.在第一方面一种可能的实现方式中，辐射单元为四个，四个辐射单元呈正方形排列。
13.在第一方面一种可能的实现方式中，馈电单元位于至少两个相同辐射单元的中心。
14.在第一方面一种可能的实现方式中，馈电单元为位于至少两个相同辐射单元中心的矩形金属片。
15.在第一方面一种可能的实现方式中，短路枝节的方向与馈电单元的方向垂直。
16.在第一方面一种可能的实现方式中，构成接地层的金属片的尺寸小于等于微带天
线工作频段对应波长的二分之一。
17.在第一方面一种可能的实现方式中，介质基板位于接地层一侧连接有sma连接器，sma连接器的内导体作为馈电端口穿过介质基板与馈电单元连接，sma连接器的外导体与接地层连接。
18.第二方面，本发明实施例提供一种定位系统，定位系统包括基带处理单元、射频处理单元和天线，天线为第一方面任一种可能的实现方式的微带天线
19.本发明实施例提供的微带天线和定位系统，包括介质基板和分别位于介质基板两侧的辐射层和接地层，其中，辐射层包括至少两个相同的辐射单元和一个馈电单元，辐射单元为中间具有圆形镂空的矩形金属片，至少两个辐射单元通过馈电单元耦合馈电，每个辐射单元通过短路枝节与邻近的辐射单元连接，接地层为覆盖介质基板一侧的金属片，馈电单元与微带天线的馈电端口连接，通过设置多个带有圆形镂空的矩形辐射单元以及连接辐射单元的短路枝节，使得本发明实施例提供的微带天线带宽较高，体积较小，且交叉极化高，可以满足定位系统的使用需求。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的一种微带天线的俯视图；
21.图2为本发明实施例提供的一种微带天线的侧视图；
22.图3为基于上述具体实例的微带天线的s参数示意图；
23.图4为基于上述具体实例的微带天线的水平方向增益示意图；
24.图5为基于上述具体实例的微带天线的垂直方向增益示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
26.图1和图2为本发明实施例提供的一种微带天线的结构示意图，其中图1为本发明实施例提供的一种微带天线的俯视图，图2为本发明实施例提供的一种微带天线的侧视图。
27.如图1和图2所示，本实施例提供的微带天线包括介质基板11和分别位于介质基板11两侧的辐射层12和接地层13。
28.辐射层11包括至少两个相同的辐射单元14和一个馈电单元15，辐射单元14为中间具有圆形镂空的矩形金属片，至少两个辐射单元14通过馈电单元15耦合馈电，每个辐射单元14通过短路枝节16与邻近的辐射单元14连接；接地层13为覆盖介质基板一侧的金属片；馈电单元15与微带天线的馈电端口连接。介质基板11可以为任意介电常数的介质基板，辐射单元14、馈电单元15、短路枝节16和接地层13均可以为介质基板11上的覆铜。本实施例中以四个相同的辐射单元14为例进行说明，但本发明提供的微带天线不以此为限。
29.本发明实施例提供的微带天线由介质基板11和辐射层12以及接地层13组成，这是微带天线的基本结构，辐射层12作为电磁波的辐射体，接地层13作为金属反射板并接地，与介质基板11和辐射层12中的辐射单元14共同实现电磁波的辐射。
30.辐射层12中的辐射单元14用于进行电磁波发射和接收，传统的微带天线仅有一个
辐射单元，但本实施例中，辐射层12包括至少两个辐射单元14，至少两个辐射单元14能够有效提高微带天线的带宽。
31.构成接地层13的金属片的尺寸可以小于等于微带天线工作频段对应波长的二分之一。
32.至少两个辐射单元14与馈电单元15之间具有一定的缝隙，至少两个辐射单元14通过馈电单元15耦合馈电，馈电单元15与微带天线的馈电端口连接。馈电端口可以设置于接地层13一侧，穿过介质基板11与馈电单元15连接。这样至少两个辐射单元14相当于是一个微带天线的多个寄生单元。
33.辐射单元14为矩形金属片，这也是基本的微带天线的辐射单元结构，但在本实施例中，在每个辐射单元14中间开一圆形镂空。传统的微带天线结构中，矩形的辐射单元的尺寸是基于微带天线工作频段对应波长的二分之一设计的。辐射单元的尺寸是指辐射单元的边长的尺寸。也就是说，理论上微带天线的辐射单元尺寸为工作频段对应波长的二分之一，再根据微带天线的实际结构基于上述尺寸进行优化和调试。这样就对微带天线辐射单元的最小尺寸做出了限制。而在本实施例中，在每个辐射单元14中间开一圆形镂空，可以改变辐射单元14上电流的分布，使得辐射单元14变为类似环形的结构，那么辐射单元14的有效尺寸不再根据辐射单元14的边长确定，而是根据辐射单元14围绕镂空圆孔的电流长度确定，这样可以有效地降低辐射单元14的尺寸，进一步可以有效降低微带天线的尺寸。辐射单元14的辐射电流长度可以基于微带天线工作频段对应波长的二分之一设计，也就是辐射单元14上等效的辐射电长度大约为微带天线工作频段对应波长的二分之一。当辐射单元14中的圆形镂空直径更大时，剩余辐射单元14上等效的电长度也越长，那么更小尺寸的辐射单元14上的辐射单元强度即可满足微带天线工作频段对应波长的二分之一的要求。
34.各辐射单元14中的圆形镂空大小可以根据实际需求设置，圆形镂空的半径越大，辐射单元14的尺寸可以设置的越小，但相应地辐射单元14的辐射性能也越弱，可以根据实际使用需求设置圆形镂空的半径。
35.图中示出的辐射单元14为切角矩形，但本发明实施例提供的微带天线不以此为限，辐射单元14为矩形即可。
36.在为微带天线配置至少两个辐射单元14，以及将每个辐射单元14均设置为具有圆形镂空的矩形金属片后，一方面多个辐射单元能够提高微带天线的带宽，另一方面设置圆形镂空后，多个辐射单元的设置也不会增大微带天线的整体尺寸，使得微带天线的整体尺寸在可控范围内。微带天线整体尺寸的有效控制，也有利于提高微带天线与其他器件之间的隔离度。
37.每个辐射单元14通过短路枝节16与邻近的辐射单元14连接。短路枝节16为一金属片，用于连接相邻的辐射单元14。每个辐射单元14只需与一个相邻的辐射单元14通过短路枝节16连接即可。例如图1中所示的四个辐射单元14的结构中，每两个辐射单元14通过一个短路枝节16连接。设置至少两个辐射单元14后，相邻辐射单元14之间可能产生影响，短路枝节16的设置是为了提高交叉极化性能。
38.图中示出的辐射单元14为四个，且四个辐射单元14呈正方形排列，这样可以使得整个微带天线的结构最紧凑，尺寸最小。但本发明实施例提供的微带天线不以此为限，一般地，为了便于辐射单元14的排布和馈电，辐射单元14可以为偶数个，且各辐射单元14排列为
矩形，使得各辐射单元14紧凑排布。为了便于馈电单元15向多个辐射单元14进行耦合馈电，馈电单元15可以位于辐射单元14的中心，使得馈电单元15向每个辐射单元14馈电的幅度相同。
39.图1中示出的馈电单元15为矩形的金属片，将馈电单元15设置为矩形，是为了使馈电单元15向四个辐射单元14耦合馈电的强度相同。馈电单元15还可以为其他形状，只要能够向多个辐射单元14耦合馈电，并且馈电强度相同即可。
40.短路枝节16的方向可以与馈电单元15的方向垂直，相邻辐射单元14的水平方向的电流可以通过短路枝节相互抵消，从而提交交叉极化性能。如图1中示出的短路枝节16沿水平方向，馈电单元15沿垂直方向。
41.本实施例提供的微带天线的馈电端口可以采用任一种连接形式，例如将馈电单元15直接与射频处理单元连接。为了便于本实施例提供的微带天线的生产与装配，可以采用射频连接器作为馈电端口。例如可以在介质基板11位于接地层13一侧连接sma连接器，sma连接器的内导体作为馈电端口穿过介质基板11与馈电单元15连接，sma连接器的外导体与接地层13连接。sma作为一种射频同轴线连接器，可以很方便地将天线与射频处理单元通过同轴电缆连接，且体积较小。当然，本发明实施例提供的微带天线的馈电端口还可以采用其他形式的射频连接器连接。
42.本发明实施例提供的微带天线，包括介质基板和分别位于介质基板两侧的辐射层和接地层，其中，辐射层包括至少两个相同的辐射单元和一个馈电单元，辐射单元为中间具有圆形镂空的矩形金属片，至少两个辐射单元通过馈电单元耦合馈电，每个辐射单元通过短路枝节与邻近的辐射单元连接，接地层为覆盖介质基板一侧的金属片，馈电单元与微带天线的馈电端口连接，通过设置多个带有圆形镂空的矩形辐射单元以及连接辐射单元的短路枝节，使得本发明实施例提供的微带天线带宽较高，体积较小，且交叉极化高，可以满足定位系统的使用需求。
43.在一种本发明实施例提供的微带天线的具体实例中，微带天线的具体结构如图1和图2所示，其中，介质基板11的节点常数为3.38，介质基板的厚度为3.25mm，构成接地层13的金属板的长度为30mm，宽度为30mm。各辐射单元14的长度为9.985mm，宽度为8.7mm，矩形切角为1mm。辐射单元14中的圆形镂空半径为3.3mm。辐射单元15的长度为12.2mm，宽度为2.548mm。短路枝节16的长度为2.5mm，宽度为1.1mm。
44.图3为基于上述具体实例的微带天线的s参数示意图，图中曲线为基于上述具体实例的微带天线的s11曲线。从图3中可以看出，不大于-10db的频带宽度为4800mhz-5300mhz，绝对带宽达到500mhz，相对中心频点的相对带宽达到10％，远高于普通单层微带天线约3％的相对带宽。
45.图4为基于上述具体实例的微带天线的水平方向增益示意图，其中曲线41为辐射单元的方向增益曲线，曲线42为与辐射单元极化方向垂直的方向增益曲线，从图中可以看出，水平增益达到6.75dbi，3db波瓣宽度为85.9度，天线轴向交叉极化比大于57db，
±
60
°
范围内交叉极化比大于50db。
46.图5为基于上述具体实例的微带天线的垂直方向增益示意图，从图中可以看出，垂直增益达到6.75dbi，3db波瓣宽度为88.2度。
47.本发明实施例还提供一种定位系统，该定位系统包括基带处理单元、射频处理单
元和天线，其中，该天线为上述任意实施例的微带天线。该定位系统可以为基于aoa定位的系统。
48.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。