CN113823910A - 用于无线定位的天线装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于无线定位的天线装置。一种被配置用于无线定位的天线装置(1)。所述天线装置包括接地平面(10)，该接地平面具有多边形形状，该多边形形状包括至少4个侧边(11)。被调谐至预定无线电频率的多个芯片天线振子(20)被分别单独地设置在所述侧边中的一个侧边处，所述芯片天线振子的相邻芯片天线振子之间的间隔(D)对应于所述预定无线电频率的波长的1/2。被调谐至所述预定无线电频率的贴片天线振子(30)被设置在接地平面的前侧(12)的中心部分处。

Description

用于无线定位的天线装置
技术领域
本公开涉及用于检测无线信号的天线的领域，该天线被配置用于无线定位。具体地，所提出的解决方案涉及布置有多个天线振子(antenna element)的天线装置，该天线装置被配置用于通过三角测量来定位信号源。
背景技术
电子装置通常包括无线通信电路，并且这样的电子装置可以称为无线终端。例如，蜂窝电话、计算机和其它装置通常包含用于支持无线通信的天线和无线收发器。
出于各种原因，电子装置的定位可能是令人关注的。一般而言，可以通过所谓的三角测量或相关方法来完成定位，其中，基于对源的真实位置的了解，接收并处理源自不同源位置的多个无线信号，以获得位置测量结果。为此目的，已经便利地使用了很多年的基于卫星的定位(诸如GPS(全球定位***))。然而，这种类型的定位并未针对室内使用进行优化，其中墙壁和天花板中的建筑材料可能会干扰或消除获得源自卫星的无线信号的可能性。其它相关定位方法基于源自例如蜂窝网络的无线网络基站的信号，诸如OTDOA(观察到达时间差)。通常，这样的技术也经常能在户外使用，或者至少在提供到基站的不受干扰的视线的情况下是能用的。
出于这些原因，室内定位***备受关注。该原理要求使用无线信号(诸如蓝牙信号)来确定到达角，并分析信号相位和关于到达时间的延迟，以便确定位置信息。这样的***通常包括许多天线振子，所述天线振子被快速连续切换以便针对各个天线振子执行分析。一种现有技术设计利用了设置在接地平面表面上的CP(圆极)贴片阵列。一行或一列中的相邻天线振子之间的间隔是将被检测以进行定位的信号的工作频率的1/2波长。这种设计的缺点是，在广角处(即关于接地平面的法线方向)，覆盖范围不好。另一现有技术设计是沿着接地平面的边缘布置线性偶极子。各个偶极子的中心之间的间隔是1/2波长。结果是各个偶极子的边缘靠在一起，这会引起干扰。此外，由于偶极子沿着边缘端到端地堆叠，因此接地平面必须较大。这样的设计通常提供较差的覆盖范围，不适用于直接位于接地平面上方的小角度，并且在仰角情况下，分辨率(resolution)不佳。
因此，仍然需要对被配置用于定位(诸如室内定位)的天线装置的技术进行改进。
发明内容
鉴于提供用于定位的天线解决方案的总体目标，提供了一种天线装置。所述天线装置包括接地平面，该接地平面具有多边形形状，该多边形形状包括至少4个侧边；被调谐至预定无线电频率的多个芯片天线振子，其中，各个芯片天线振子被单独地设置在所述侧边中的一个侧边处，所述芯片天线振子的相邻芯片天线振子之间的间隔对应于所述预定无线电频率的波长的1/2；以及被调谐至所述预定无线电频率的贴片天线振子，该贴片天线振子被设置在接地平面的前侧的中心部分处。
此外，一种使用所述天线装置进行定位的方法包括以下步骤：
使用贴片天线振子以及所述芯片天线振子中的两个相邻芯片天线振子来对所述波长的无线信号的无线电频率特性进行检测；
通过对无线信号进行三角测量来确定所述无线信号的起源的位置参数。
附图说明
将参照附图描述各种示例，在附图中：
图1A示意性地例示了根据各种示例的天线装置的俯视图；
图1B从侧面示意性地例示了图1A的天线装置；
图2A至图2E示意性地例示了根据各种示例的天线装置的接地平面的另选多边形形状；
图3例示了根据各种示例的通过检测天线装置的不同天线振子中的无线信号来进行定位；
图4A示出了根据各种示例的用于定位的通用方法的流程图；
图4B示意性地例示了根据各种示例的包括天线装置的电子装置的关于源位置的定位；
图5示意性地指示了根据各种示例的可用于定位的天线振子的集群；
图6示意性地例示了接地平面中配置有凹口的天线装置的示例；
图7A至图7C示意性地例示了图6的示例的另选凹口形状；以及
图8示意性地例示了可用作根据各种示例的天线装置中的天线振子的芯片天线配置。
具体实施方式
在下文中将参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例。然而，本发明可以以许多不同形式来实施，并且不应被解释为限于本文阐述的示例；相反，提供这些示例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。
将理解，当元件被称为“连接”至另一元件时，其可以直接连接至另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”至另一元件时，不存在中间元件。贯穿全文，相同的数字表示相同的元件。此外，将理解，尽管本文可以使用用语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些用语的限制。这些用语仅用于将一个元件与另一元件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，用语“和/或”包括相关联的所列项中的一者或更多者的任何和所有组合。
为了简洁和/或清楚起见，可能不会详细描述公知的功能或构造。除非另有限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还将理解，术语(诸如在常用字典中限定的术语)应被解释为具有与其在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不以本文明确如此限定的理想化或过于正式的意义解释。
本文参照本发明的理想示例的示意图来描述本发明的示例。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差而导致图示的形状和相对大小的变型。因此，本发明的示例不应被解释为限于本文例示的区域的特定形状和相对大小，而是包括例如由不同工作约束和/或制造约束引起的形状和/或相对大小的偏差。因此，附图中例示的元件本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在例示装置的区域的实际形状，并且不旨在限制本发明的范围。
本文提出了与如下天线装置的技术的改进有关的各种解决方案，该天线装置被配置用于基于无线信号的接收来获得诸如室内定位的定位的电子装置中。将参照附图描述不同示例。根据总体示例，提供了一种被配置用于无线定位的天线装置1，该天线装置包括：
接地平面10，该接地平面具有多边形形状，该多边形形状包括至少4个侧边11；
多个芯片天线振子20，所述多个芯片天线振子被调谐至预定无线电频率，其中，各个芯片天线振子被单独地设置在所述侧边中的一个侧边处，所述芯片天线振子的相邻芯片天线振子之间的间隔D对应于所述预定无线电频率的波长λ的1/2；以及
贴片天线振子30，该贴片天线振子被调谐至所述预定无线电频率，该贴片天线振子被设置在接地平面的前侧12的中心部分处。
各个芯片天线振子20将引起接地平面10的边11的激发，以充当天线。在这种布置中，在将芯片天线振子与设置在多边形接地平面的中心处的贴片天线振子30组合的情况下，可以从关于接地平面的法线方向的广角和窄角检测无线信号。天线装置1因此被配置为在至少两个相邻芯片天线振子20以及贴片天线振子30中使用信号检测，通过三角测量按照预定无线电频率的所接收的无线信号来进行定位。
图1A和图1B示意性地例示了根据一个示例的天线装置1。在各种示例中，接地平面的多边形形状具有等长的侧边11。在附图所示的示例中，侧边11是直的。在另选示例中，接地平面的各个侧边11是弧形的。
通过示例的方式，图2A至图2E示意性地例示了接地平面10的另选的多边形形状。这些示例包括图2A至图2E中的具有5至10个边的多边形。对于具有四个边的多边形形状，天线方向图(pattern)仍然可以工作。然而，如果四边形为正方形，则由于芯片天线20的极性与其附接的边相同，因此芯片天线20之间的极化变得正交。这可能导致来自天线组中的至少一个芯片天线20的信号丢失。在这方面，更多数量的边是有益的。针对具有许多(诸如超过10个)边的多边形形状，该装置可以包括超过一个的中央贴片天线振子30，以便确保天线20、30之间的距离是合适的，这将在下面更详细地讨论。
返回图1A和图1B的示例，接地平面10具有六边形形状，即，接地平面具有六个侧边11。将注意，接地平面10可以承载在承载基板15(这里也称为PCB)上，并且可以作为中间层并入载体基板15中。这在图1B中进行了示意性例示。载体基板15本身可以具有与接地平面10不同的形状。
多个芯片天线振子20被调谐至预定无线电频率，将在该预定无线电频率下执行定位。无线电频率可以例如是蓝牙无线电频率(诸如ISM频段2.4GHz)或WLAN信号或其它预定无线电频率。各个芯片天线振子20被单独地设置在所述侧边20中的一个侧边处，这意味着在相应侧边11处仅设置有一个芯片天线振子20，诸如如所示示例中那样，接地平面10的各个侧边11处设置有一个芯片天线振子20。在各种示例中，各个芯片天线振子20被设置在相应侧边11的中心位置处。
在天线装置1用于定位信号源的操作中，无线电波将到达包括中心贴片天线振子30和两个相邻芯片天线振子20的天线阵列(也参见图3和图5的组51)。当天线阵列的两个不同天线振子之间的到达相位差小于+/-90度时，可以准确地计算到达角。如果相位差超过90度，则准确度会降低或丢失。结合起来，形成天线振子的一个组51的一部分的两个芯片天线振子20和中心贴片天线振子30的三种可能的成对组合可以提供三个不同方向，它们通过三角测量一起提供信号源的位置。出于这个原因，在间隔D和距离C都接近1/2λ的配置中，获得了用于三角测量的有利布置。
在各种示例中，对应于无线电频率波长的1/2λ的间隔D可以包括在λ的1/4至3/4之间的间隔D。在该范围内，天线装置1能够检测用于定位操作的相位差，但是更接近1/2λ将提高三角测量的性能。
在各种示例中，居中设置的贴片天线振子30与各个芯片天线振子20之间的距离C也对应于1/2λ，诸如在λ的1/4至3/4之间。在该范围内，天线装置能够进行定位操作，但是更接近1/2λ将提高三角测量的性能。
可以注意到，间隔D的配置还将提供距离C的隐式配置，如多边形形状(即接地平面10的边数量)所给定的。针对具有等长侧边11的接地平面10的六边多边形形状(即六边形)，间隔D将与距离C相同，如几何形状所给定的。六边形形状因此是有益的，因为可以简单地基于关注频率来确定接地平面的尺寸，并且可以将C和D都配置为在一定公差水平内满足1/2λ准则。
但是，如所指出的那样，如模拟所示，在约1/2λ准则的一定范围内，也将能够获得适当的定位操作，包括不提供完全相同的C和D大小的形状。如果从中心贴片30天线振子至各个芯片天线振子20的距离C是1/2λ，那么针对五边形(5边)的情况，间隔D将是约0.587λ。针对七边形(7边)的情况，间隔D将是约0.433λ，并且针对八边形(8边)的情况，间隔D将是约0.382λ。因此，考虑到中心距离C为λ的0.5，针对间隔D，这些数字在λ的0.4-0.6的范围内。另一方面，如果距离D被配置为保持在1/2λ，则距离C将分别是：针对五边形，0.425λ，针对七边形，0.57λ，并且针对八边形，0.64λ。
在天线装置1的许多配置(包括所呈现的示例)中，间隔D和距离C都将在λ的1/4至3/4的范围内。更接近1/2λ将提供更好的定位准确度，但是整个范围都有效。在相邻天线振子太近(诸如<1/2λ)的配置中，天线相互耦合会增大到可能导致损耗并改变方向图形状的程度，这对定位操作有害。如果天线振子相距太远(例如>3/4λ)，则可能会导致方向确定方面的错误，从而导致定位失败。在各种实施方式中，取决于接地平面10的多边形形状，间隔D与距离C之间的关系为0.8≤D/C≤1.2，其中优选接近1。
在各种示例中，贴片天线振子30是CP(圆极)贴片天线振子或双极(组合信号)类型的贴片天线振子。因此，在各种示例中，贴片天线振子30是极化独立的。贴片天线振子30可以是印刷或粘附在接地平面10上方(诸如将贴片天线振子30与接地平面10介电地分开的PCB 15的表面上)的金属贴片。设置一个或更多个馈电点(未示出)用于将贴片天线30连接至无线电电路。在各种示例中，贴片天线振子30是在所有方向上一致的CP天线。
在各种示例中，间隔D和距离C是以从相应芯片天线振子20和贴片天线振子30的中心到中心的方式测量的，诸如关于相应天线振子20、30的相位中心。
在一些示例中，各个接地平面侧边11具有长度L，该长度对应于天线振子20、30被调谐至的无线电频率波长的1/2λ。这样，针对各个芯片天线振子20获得了半波谐振天线结构，这可以增强天线性能。在各种示例中，对应于无线电频率波长的1/2λ的长度可以涉及具有在一定范围内的长度L以获得合理的谐振器效果的侧边。该范围可以在所述波长λ的1/4至3/4之间，或者甚至更接近，诸如在0.4λ至0.6λ内。
在各种示例中，在接地平面10的后侧13处设置有反射器表面40。在一些示例中，反射器表面40是与接地平面10间隔开间隙G、平行于该接地平面布置的，该间隙小于λ的1/4。如图所示，在各种示例中，反射器表面40大于接地平面10，使得该反射器表面从接地平面10的中心径向延伸超过该接地平面的各个侧边11。反射器表面40获得相比于接地平面10的法线方向向侧面倾斜的广角检测的整个天线方向图的锐化。反射器表面可以是导电表面，诸如金属层或表面。
图3示意性地例示了用于关于信号源4对天线装置1进行定位的三角测量。到达角主要是通过来自如图所示位于不同角度扇区的三个相邻天线振子的信号检测来计算的。关于至少三个天线振子来确定信号延迟和相位角，并且在算法中使用该信号延迟和相位角来关于各个天线振子确定到达角和距离。然后将它们组合以对信号源4相对于天线装置1的位置进行三角测量，以确定位置参数，该位置参数至少标识相对位置，该相对位置包括与信号源4关于天线装置1的距离和角度有关的信息。
图4A例示了使用根据本文提出的任何示例的天线装置1进行定位的方法。该方法至少包括以下步骤：
使用贴片天线振子30以及芯片天线振子中的两个相邻芯片天线振子来对所述波长的无线信号的无线电频率特性进行检测；
通过对无线信号进行三角测量来确定所述无线信号的起源的位置参数。
三角测量技术本身在本领域中是公知的，因此本文将不再详细描述。在各种示例中，在控制单元3中执行包括三角测量的定位处理，该控制单元形成天线装置1的一部分或连接至电子装置2中的天线装置1。控制单元连接至芯片天线振子20和贴片天线30的馈电点并且包括无线电电路，该无线电电路用于确定与检测到的无线电信号相关联的至少相位和时间的无线电频率特性，并基于检测到的无线电信号进行三角测量。控制单元3可以包括处理器和数据存储部，该数据存储部被配置为保存计算机程序代码，该计算机程序代码由处理器执行以基于检测到的无线电信号执行定位。
图4B示意性地例示了在电子装置2中执行的定位，该电子装置包括根据本文提出的任何示例的天线装置1。在已知信号源4的位置Ps(x,y)(例如，地理位置或关于本地坐标系401或区域地图的位置)的情况下，可以使用标识相对位置的确定位置参数来确定天线装置1或者包括天线装置1的电子装置2的实际位置Pd(x,y)。另选地，在对应上下文中已知天线装置1的位置的情况下，可以使用相对位置来基于已知位置Pd(x,y)确定信号源4的实际位置Ps(x,y)。
图5示意性地例示了如何通过提供另外的分辨率来将分别由虚线和点划线指示的接近的三角形天线组51、52、53合并到定位处理中。各个天线组包括芯片天线振子20中的两个相邻芯片天线振子以及贴片天线振子30。在这样的示例中，可以使用这些天线振子组中的每一者来进行三角测量。
与仅使用贴片天线振子或仅使用线性偶极子时相比，由本文提出的解决方案的天线装置1提供的覆盖范围更大。此外，可以将承载接地平面10的PCB 15制造成小于上述两种解决方案中的PCB。
在各种示例中，在多边形形状的侧边的各个角或相交处在接地平面中形成有凹口。图6示意性地例示了一个这样的示例。该示例在其它方面类似于图1A和图1B的示例，其中使用了对应的特征和参考。在接地平面10的侧边11的各个相交处，形成凹口14以将相邻侧边11分开。
各个凹口至少部分地向内延伸，并且图6所示的凹口14的形状是各个凹口14径向向内延伸的一个示例。在一些示例中，各个凹口14延伸对应于所述波长的1/4的距离H(在例如5％、10％或20％的一定公差内)。在一些示例中，各个凹口14向内延伸至比边缘天线振子20更靠近贴片天线振子30的位置。
图7A至图7C本身例示了凹口14的不同另选示例，其中，图7A类似于图6的示例。在图7B中，示出了具有总深度H的T形凹口14。图7C示出了另一示例，其中在接地平面的侧边11的一个相交处设置两个凹口14作为凹口对，各个凹口具有深度H。
实现凹口14的这种设计的一个效果是使相邻芯片天线振子20之间的干扰最小。该凹口提供低的天线耦合，各个芯片天线具有更一致的方向图，这使各个芯片天线振子20影响其相邻芯片天线振子20的程度最小+。
在一些示例中，各个凹口14的宽度布置成使得侧边11的长度L对应于1/2λ。通过实现凹口以将侧边的长度L调整成对应于1/2λ而获得的另外效果是，侧边11形成了半波谐振天线，其可以增强天线性能。
因此，在接地平面10中使用凹口14提供了扩展的设计自由度，使得可以对相邻芯片天线振子20之间的距离D以及接地平面侧边11的长度L进行布置，以例如在一定公差内与1/2λ相对应。公差可以例如在1/4λ至3/4λ的范围内，或者一定百分比内，诸如小于5％、10％、20％或其它。
图8示意性地例示了可用于本文概述的任何示例中的芯片天线振子20。在一些示例中，芯片天线振子20包括诸如陶瓷的介电块21，其承载诸如单极或IFA天线的导电天线结构(未示出)。芯片天线振子20的介电块21具有高介电常数，并且可以具有约1mm至2mm的大小以在2.4G Hz的范围内使用。可以借助于印刷在介电块21上或以其它方式粘附至介电块21的金属迹线来提供天线结构。在本文描述的天线装置1的示例中，芯片天线振子20分别连接在接地平面的各个侧边11处。介电层可以被配置为将芯片天线振子20与实际接地平面10分开或相对于实际接地平面10升高。这可以通过在接地平面10的边缘11上方在PCB 15上连接芯片天线振子20来实现。天线馈电连接器22被配置为连接至导电天线结构，以用于馈电或信号接收。还提供了一个或更多个接地连接器23，以连接至接地平面10。通常，陶瓷天线是窄带的。在本文概述的示例中，在芯片天线振子20位于由长度为L的接地平面侧边11提供的半波谐振结构(特征模式)中的情况下，芯片天线振子20提供充足的带宽和辐射效率用于接收预定无线电频率的无线信号。
前述公开提出了可用于基于所接收的无线电信号进行定位的天线装置1的特征和元件。在各种示例中，基于在一个或更多个天线组的天线振子中接收到的无线电信号，通过三角测量来进行定位。各个天线组可以在天线装置1的一个扇区部分处包括天线振子20、30的三角集群。

Claims (15)

1.一种天线装置(1)，该天线装置被配置用于无线定位，所述天线装置包括：
接地平面(10)，所述接地平面具有多边形形状，所述多边形形状包括至少4个侧边(11)；
多个芯片天线振子(20)，所述多个芯片天线振子被调谐至预定无线电频率，其中，各个芯片天线振子被单独地设置在所述侧边中的一个侧边处，所述芯片天线振子中的相邻芯片天线振子之间的间隔(D)对应于所述预定无线电频率的波长的1/2；
贴片天线振子(30)，所述贴片天线振子被调谐至所述预定无线电频率，所述贴片天线振子被设置在所述接地平面的前侧(12)的中心部分处。
2.根据权利要求1所述的天线装置(1)，其中，各个芯片天线振子被设置在侧边中的一个侧边的中心位置处。
3.根据权利要求1所述的天线装置(1)，其中，所述侧边中的各个侧边的长度(L)对应于所述波长的1/2。
4.根据权利要求3所述的天线装置(1)，其中，各个侧边的所述长度(L)在所述波长的1/4至3/4之间。
5.根据权利要求1所述的天线装置(1)，其中，所述贴片天线振子与各个芯片天线振子之间的距离(C)对应于所述波长的1/2。
6.根据权利要求5所述的天线装置(1)，其中，所述距离(C)在所述波长的1/4至3/4之间。
7.根据权利要求1所述的天线装置(1)，所述天线装置包括五个至十个侧边。
8.根据权利要求1所述的天线装置(1)，其中，在所述接地平面的背侧(13)处设置有反射器表面(40)。
9.根据权利要求8所述的天线装置(1)，其中，所述反射器表面是与所述接地平面间隔开间隙(G)、平行于所述接地平面布置的，所述间隙小于所述波长的1/4。
10.根据权利要求8所述的天线装置(1)，其中，所述反射器表面大于所述接地平面，并且从所述接地平面的中心径向延伸超过所述接地平面的各个侧边。
11.根据权利要求1所述的天线装置(1)，其中，在所述接地平面的侧边的各个相交处形成有凹口(14)，以将所述接地平面的相邻侧边分开。
12.根据权利要求11所述的天线装置(1)，其中，各个凹口延伸与所述波长的1/4相对应的距离。
13.根据权利要求1所述的天线装置(1)，其中，所述贴片天线振子是圆极天线。
14.一种电子装置(2)，所述电子装置包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的天线装置(1)；
控制单元(3)，所述控制单元被配置为：
使用所述贴片天线振子以及所述芯片天线振子中的两个相邻芯片天线振子来对所述波长的无线信号的无线电频率特性进行检测(41)；
通过对所述无线信号进行三角测量来确定(42)所述无线信号的起源的位置参数。
15.一种使用根据权利要求1至13中任一项所述的天线装置(1)进行定位的方法，所述方法包括以下步骤：
使用所述贴片天线振子以及所述芯片天线振子中的两个相邻芯片天线振子来对所述波长的无线信号的无线电频率特性进行检测(41)；
通过对所述无线信号进行三角测量来确定(42)所述无线信号的起源的位置参数。
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