所追踪对象的极化轴线衰减和抗交叉极化天线定向组件

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2018年8月7日的美国专利申请No.16/056,888的权益。

背景技术

追踪物理空间中的对象可涉及电磁信号的发射和对这些信号执行分析以确定该对象的物理位置。该分析可涉及到达时间(TOA)、到达角度(AOA)和/或接收信号强度指示(RSSI)量度。信号可称为定位信号，因为它们用于确定对象的位置。信号可由定位装置来生成。分析可涉及多个此类信号的接收，诸如在多层级(MLAT)分析中。追踪系统可由位于对象上的反射标签或天线来协助，该对象与定位信号进行交互。定位信号可由定位装置上的天线进行发射和接收。在某些方式中，对象上的天线还可用于发射出站定位信号，这些信号在对象自身上而非定位装置上生成。

发明内容

本文公开了涉及天线定向的方法和系统。在一个具体实施例中，系统包括定位装置、控制对象和对象天线；该定位装置配置成生成定位信号，该对象天线配置成接收定位信号。对象天线具有第一极化轴线并且位于控制对象上。系统还包括定位装置天线，该定位装置天线配置成发射定位信号。定位装置天线具有第二极化轴线并且位于定位装置上。当定位装置和控制对象处于标准操作模式时，第一极化轴线和第二极化轴线与平行方向偏离三十度以上。当定位装置和控制对象处于标准操作模式时，第一极化轴线和第二极化轴线与垂直方向偏离三十度以上。

附图说明

图1根据本发明的具体实施例示出了一种利用一组定位装置来追踪指向对象的位置的系统，该定位装置将信号发射和接收至和自位于指向对象上的天线。

图2根据相关领域示出了天线辐射图案，示出了交叉极化的实例和极化轴线衰减。

图3示出了指向对象和定位装置的两组横截面，这些横截面露出位于根据本发明的具体实施例的装置内的天线组件。

图4示出了指向对象和定位装置的一组横截面，这些横截面露出位于根据本发明的具体实施例的装置内的天线组件。

具体实施方式

本文在下文详细地公开了用于改善定位系统中的天线的性能的系统和方法。该系统可涉及天线组件，该天线组件用于将天线相对于装置的位置适当地固定，该天线附接至该装置。该方法可涉及使天线相对于装置的主要轴线倾斜。天线可位于定位系统或追踪对象的定位装置中。装置的主要轴线可相对于定向来限定，该装置在其标准操作模式期间一般将置于该定向。例如，远程控制的主要轴线由远程控制的指向轴线来限定。作为另一个实例，壁安装定位装置的主要轴线由矢量来限定，该矢量从装置的中心向上延伸朝向顶棚并且平行于壁。天线可定位成优化追踪系统的性能，该追踪系统用于追踪该对象。具体地，天线由天线组件所倾斜的角度可选择成优化追踪系统的性能，该追踪系统用于追踪该对象。下文参考图1至图4公开了这些理念的具体实施例和变型。如本文章节所公开的这些理念的具体实施例提供用于解释目的并且非意在限制本发明，本发明的范围由附属权利要求书来提供。

本发明的具体实施例涉及定位装置或待由定位系统所追踪的对象中的天线相对于装置自身的本体的定位。本发明的具体实施例涉及定位装置中的天线和待由定位系统所追踪的对象中的天线的相对定位。参考图1，提供了定位系统100。定位系统100包括一组定位装置110、待追踪对象120，和任选服务器130。待追踪对象可为移动装置。该组定位装置可发射和接收定位信号111，定位信号111由对象120反射或发射。虽然定位信号在对象和定位装置之间进行交换，但是执行用以确定对象的位置的信号分析可在对象上执行(通过该组定位装置)，在服务器上执行，或其任何组合。

正追踪的对象可为其位置需通过自动系统进行确定的任何对象。对象可为控制对象，诸如用于生成控制信号的装置。对象可为指向对象，诸如远程控制、展示指示器、库存管理装置，或用于无线标签的玩具。指向对象将具有限定指向方向，该限定指向方向与指向轴线相关联；当指向时，用户将目标与指向轴线对准。指向对象可配置成沿着指向轴线发射信号，以实现其主要功能。在所示情况下，指向对象为远程控制，目标为电视，并且信号包括电视的通电命令。在其它实施例中，对象可为无人机、智能手机、平板电脑、穿戴式计算装置或任何其它计算装置。

在图1的具体实例中，对象120为专用装置，该专用装置操作为远程控制，并且指向轴线113为远程控制的指向方向。该远程控制可操作用于控制一个或多个电子装置，并且可利用任何形式的无线发射器将信号发射至这些装置。追踪系统可用于确定控制器在任何给定时间指向朝向的装置。具体地，定位系统可用于确定指向轴线在基准框架中的方向，该基准框架用于识别可作为指向对象的目标。在所示情况下，用户101可将指向轴线113与目标102对准以将命令提供至电视。如下文将描述，相同天线可用于发送命令，或由指向对象所发射的其它信号，并且与定位装置110的定位信号进行交互。

根据本公开，用于追踪对象的位置的一组外部定位装置可采取各种形式。该组外部定位装置可包括测量对象在物理空间中的位置的两个或更多个大体均质元件。该组外部定位装置利用无线信号可测量对象的位置。例如，外部定位装置可将无线信号指向朝向对象上的标签或收发器，并且对于这些信号执行TOF分析，并且利用MLAT获得对象位置的测量值。外部定位装置可包括独立无线发射器以用于与其它外部定位装置和对象通信所编码信息，诸如经由Wi-Fi、Z波或Zigbee协议。

在图1的具体系统图示中，该组外部定位装置110为位于具有对象120的房间中的一组壁安装锚定件。对象120还可包括距离传感器和局部定位系统(LPS)接收器以用于与该组外部定位装置110通信并且确定对象120的位置。在所示情况下，外部定位装置在装置上的天线121处发射无线信号，并且利用TOF和MLAT获得其位置的测量值。天线121可为LPS接收器，该LPS接收器设计成与该组外部定位装置110进行交互。该组外部定位装置110可布置于空间中，使得它们为非共线性的。在它们具有彼此视线的情况下，该组外部定位装置110可更好地起作用。因此，该组外部定位装置110可安装高处(例如，底板上方至少2米)。外部定位装置可安装至空间的不同壁。LPS接收器可实现超宽带(UWB)局部定位系统。外部定位装置可彼此和与对象110无线地通信以实现UWB LPS系统或本领域中已知的任何其它LPS系统。特别地，定位装置可包括天线，诸如天线111，以发射和接收定位信号。该组天线和该组定位装置可具有一一对应性。位于对象上的天线121可称为对象天线。位于定位装置上的天线111可称为定位装置天线以区分这两种天线。在其中对象为指向对象的实施例中，天线可称为指向对象天线。

对象和定位天线可采取各种形式。如所示，对象天线121和定位装置天线111为UWB全向且线性极化(OLP)天线。在线性极化天线中，极化轴线通常为最大长度的天线轴线。在图1中，对象天线121具有第一极化轴线122，并且定位装置天线111具有第二极化轴线112。天线可以这些第一和第二轴线的相对偏移量固定于定位装置和对象上，以改善定位系统的性能，如下文将描述。当装置的每一者位于其标准操作位置时，相对偏移量可进行测量。虽然未示出3个以上的其它定位装置的天线，但是这些装置的每一者可具有相对于定位装置的本体以相同方式固定的天线，并且每个天线可共享极化轴线112。虽然图1将每个天线示为全向贴片天线，但是天线可：为定向天线；具有贴片、双贴片、偶极、单极、狭槽，或分裂环谐振器天线结构；并且可具有线性极化、循环器极化或椭圆极化。

图2包括两个示意图，这两个示意图出于解释本文所公开一些实施例的益处的目的示出了无线系统的相关行为。公开内容是根据相关领域。根据图2的无线系统为全向且线性极化的。然而，本文的公开内容为更广泛适用的，并且这些实例仅提供用于示出与本文所公开的实施例的特定子组相关联的益处。

示意图200示出了图1的对象120的辐射图案202。辐射图案202相对于理想全向辐射图案进行绘制，该理想全向辐射图案的形式为以两个同心圆201所示的完美球形，两个同心圆201已绕着天线122的极化轴线相对于彼此旋转。如所见，辐射图案包括沿着天线122的极化轴线的衰减203。辐射图案202可近似圆环，其中极化轴线作为其中心。这意味着在极化轴线122的方向上的发射和接收的强衰减。理论上，接收和发射在轴线122上为无效的，但是在实际情况下，仍存在一些信号接收和发射，其只是显著地衰减。

示意图210示出了两个线性极化电磁波211和212，其中波211具有水平极化并且波212具有竖直极化。波211由具有水平极化轴线213的贴片天线来生成。波212由具有竖直极化轴线214的贴片天线来生成。随着信号的极化从波211的极化旋转至波212的极化，贴片天线213将具有解析该信号的渐增查询时间。对于天线214同样如此，因为波212的极化旋转朝向波211的极化。在天线213试图与天线214通信的情况下(即两个天线以正交极化通信)，通信理论上为不可能的。这种现象称为交叉极化。

在具体实施例中，定位装置上的天线和正追踪的对象上的天线可定向成使两个装置之间的通信的效率最大化。定位天线极化轴线和对象天线极化轴线可与平行方向偏离三十度以上，并且与垂直方向偏离三十度以上。在更具体实施例中，定位天线极化轴线和对象天线极化轴线可彼此偏离四十五度。在线性极化天线的情况下，此类方式的益处在于，轴上衰减和交叉极化的效应可最小化至可接受程度。这种方式的益处据观察主要地适用于四十五度偏移量的十五度加减变化范围内。天线可相对于定位装置和对象的位置进行固定以满足这些条件，同时装置置于其标准操作位置。天线可通过天线组件以此类方式进行固定，这些天线组件包封于装置内。天线组件可包括基板，诸如印刷电路板，天线连接至该基板。天线可以偏离基板的角度来保持，并且基板可通过永久地固定至装置的框架或本体而具有相对于装置的固定配置。天线还可以偏离装置的主要轴线的角度来定位，同时与基板齐平。换句话讲，天线可通过在基板的平面内旋转或通过在基板的平面外旋转进行倾斜。

图3可用于描述本发明的一组特定实施例，这些特定实施例是根据先前段落所描述的方式。在示意图310中，具有指向轴线312的对象311包括本体313。对象311为指向对象，该指向对象的指向轴线在装置的标准操作模式期间一般保持水平。例如，对象311可为远程控制。本体313的一部分已在图中移除以示出印刷电路板314，天线315已固定于印刷电路板314上。印刷电路板314还包括微处理器。微处理器经由印刷电路板314可通信地联接至天线315。微处理器可存储指令以生成或处理由天线315所接收的定位信号。微处理器还可生成命令并将其发射至装置，这些装置通过指向对象的用户来识别。如所示，微处理器、天线和天线组件完全包封于装置的本体内。

示意图310还包括定位装置317，定位装置317包括本体318，本体318已在图中部分地移除以露出印刷电路板319。印刷电路板319还包括微处理器。在所示情况下，定位装置天线320与印刷电路板319齐平对准。天线320和315可均为OLP天线，使得天线320的极化轴线32与壁的表面平行，定位装置317安装至该壁。微处理器经由印刷电路板319可通信地连接至定位装置天线320。微处理器可存储指令以生成或处理由天线320所接收的定位信号。如所示，微处理器、天线和天线组件完全包封于装置的本体内。

天线315和320通过天线组件均可固定于适当位置。天线组件可包括印刷电路板上的插口。例如，如果天线为具有凹状共轴插口的贴片天线，那么天线组件可包括与印刷电路板集成在一起的凸状共轴插口。在对象311的情况下，天线组件可以偏离印刷电路板的基板的角度保持天线。角度可通过插口来保持，该插口形成于印刷电路板上并且兼容天线。例如，插口可为形成于印刷电路板的表面上的带角度共轴连接部。该角度可设置成以某一定向来保持天线的极化轴线，该定向为与指向轴线平行的三十度以上并且与指向轴线垂直的六十度以下。在具体实施例中，角度可设定成以与指向轴线的四十五度角度偏移量来保持天线的极化轴线。在一个另选实施例中，天线可保持与基板齐平，同时其极化轴线与指向方向312旋转不对准。适用于天线315的相同角度可适用于此类方式。

以先前段落所描述的角度定位该指向对象天线的极化轴线316提供了某些益处，因为这样做间接地确保当每个装置处于其标准操作模式时，指向对象的极化轴线设定为与定位装置的天线的极化轴线的期望角度偏移量。示意图310中天线315的详细视图包括由指向轴线312与指向对象的天线316的极化轴线的偏移量所限定的标记角度θ1(theta-sub-one)。如所示，天线320的极化轴线321可与壁的表面平行，定位装置317安装至该壁。因此，当θ1设定为零或一百八十度时，两个天线之间的完美交叉极化将出现。同样，当θ1设定为九十度或二百七十度时，完美沿极化轴线衰减将出现。因此，通过将θ1置于大于三十度至六十度的某处，如四十五度，使两个衰减源最小化可实现。本领域的技术人员将认识到，单位圆圈的其它三个象限中的类似窗口将提供类似益处(即，其中θ1为大约一百三十五度、二百二十五度和三百一十五度的那些)。因此，指向轴线312用作垂直轴线对于天线320的极化轴线的代理，并且以偏离指向方向的角度来配置天线315间接地确保了指向对象天线和定位装置天线之间的期望偏移量。

示意图310类似于示意图300，不同的是，定位装置317的天线330已从与墙平行倾斜出来，并且指向对象311的天线325设定成具有等同于指向对象的指向轴线312的极化轴线。在根据示意图310的具体实施例中，天线组件配置成确保，定位装置的天线的极化轴线与垂直于墙的偏移量大于三十度并且与平行于墙的偏移量大于三十度。本领域的技术人员将认识到，天线330的倾斜仅为可实现这种结果的多个倾斜方向的一者。在一个另选实施例中，天线330的极化轴线可保持与壁平行，如同示意图300的情况，同时在顺时针方向或逆时针方向上沿着该壁侧向地旋转。适用于天线315的相同角度偏移量可适用于此类方式，但参考定位装置317的主要轴线。在本实例中，定位装置317的主要轴线从定位装置的中心直接地向上指向，并且平行于壁。

示意图310的其余方面匹配示意图300的那些。特别地，天线330和325均为LP天线。因此，指向对象天线325的极化轴线与定位装置天线330的极化轴线326偏移角度θ2。该角度可类似地设定为θ1。具体地，角度可设定成一定程度上处于三十度和六十度之间，诸如四十五度。本领域的技术人员将认识到，单位圆圈的其它三个象限中的类似窗口将提供类似益处(即，其中θ1为大约一百三十五度、二百二十五度和三百一十五度的那些)。根据这种配置，两个天线之间的交叉极化和沿轴线衰减得以最小化，正如示意图300的实例。根据示意图300和示意图310中装置的任一物理配置，当装置处于其标准操作配置时，指向对象的极化轴线和定位装置的极化轴线与平行方向偏移三十度以上，并且与垂直方向偏移三十度以上。

图3中的实例示出了单个定位装置。然而，定位装置317和327可为一组定位装置中的独立定位装置。多个装置可安装并且可置于不同壁上或相同壁上。装置一般可置于相同高度处。在这些实施例中，各种定位装置中的天线的极化轴线可均为等同的，并且可识别本文所公开的益处。然而，每个装置的轴线也可分布成说明这样的事实：所追踪对象将倾向于以绕着其标准操作位置的轻微变化进行定向。例如，在具有三个或四个定位装置的定位系统中，远程控制具有天线，该天线的极化轴线与其指向方向对准；天线的极化可从与墙的表面平行的三十度至六十度偏移量来均匀地分布。

图4提供了根据所公开发明的具体实施例的指向对象上和壁安装定位装置上的另一种可能配置的图示。示出了壁安装定位装置400，其中主要轴线401向上指向朝向房间的顶棚并且与壁平行，装置400安装至该壁。如所示，LP贴片天线403已定位于装置400内，使得其极化轴线403与主要轴线401偏移角度θ3(theta-sub-three)。定位装置400的视图为直视壁的视图，如与图3的侧视图相对。同时，定位装置410上的LP贴片天线411已定位成使得其极化轴线412与指向对象410的指向方向一致。图4中的指向对象410的视图为对象的俯视图，如与图3的侧视图相对。角度θ3偏移量可采取与上文所述及角度θ2(theta-sub-two)和θ1相同的特性，以提供这些相同益处。具体地，θ3可有益地置于三十度至六十度。在一个具体实施例中，θ3在一个更具体实施例中可为四十五度。因为在标准操作模式中，指向轴线412将垂直于主要轴线401，所以如果θ3选择成从三十度至六十度，那么两个装置的极化轴线之间的角度将同样分别为从六十度至三十度。因此，组合系统将识别本文所公开益处的一些。

虽然说明书已相对于本发明的具体实施例进行详细地描述，但是应当理解，本领域的技术人员在获得前述内容的理解之后可容易地设想出这些实施例的变更、变化和等同物。例如，本公开使用壁安装定位装置和定位对象的实例，该定位对象最通常与底板平行地定位以示出一些所公开实施例的益处。然而，本文所公开的具体实施例更广泛地适用于定位和指向对象的任何组合，其中装置在标准操作模式具有相对于彼此的固定定向。此外，由于许多定位装置包括用于确定定位装置的定向的内部陀螺仪或其它传感器，天线的定向可为指向对象的可配置属性，并且定位装置天线对于指向对象天线的相对定向可通过反馈环路进行控制，该反馈环路评估此类传感器的数据并且响应于该数据而调整任一天线的定向。此类反馈环路可为计算机控制的，或完全机械的。反馈环路的目标可设定成将装置的极化轴线维持于与对应装置的极化轴线的加减十五度的四十五度偏移量内。此外，虽然本公开的多个实例涉及定位装置，但是相同方式可适用于任何辅助装置或一组辅助装置，这些辅助装置意在将信号发射至移动对象上的天线。信号可包括任何类型的命令或数据。辅助装置可共享上文相对于定位装置所提及的通用特性的任一者。例如，辅助装置可为壁安装的，并且可具有与一组OLP天线的一一对应性。该组OLP天线可倾斜，如上文参考定位装置上的天线所描述。对于本发明的这些和其它修改和变型可由本领域的技术人员来付诸实践，而不脱离本发明的范围，本发明的范围在附属权利要求书中进行更特别地阐述。