一种用于测向的天线阵列组件及用于测向的装置

技术领域

本申请实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及用于测向的天线阵列组件及用于测向的装置。

背景技术

在无线电测向领域，测向技术不断进步，特别是在引入涉及信号相位比较的方法之后，无线电测向取得了明显进步和广泛应用。例如，在室内定位系统中应用到了基于到达角(AOA)的测向方法和基于出发角(AOD)的测向方法，其中，在基于AOA的测向方法中，包含天线阵列的接收端接收到来自发射端的无线信号，并基于其不同天线接收到的无线信号之间的相位差来计算该无线信号的AOA，而在基于AOD的测向方法中，接收端接收到来自包含天线阵列的发射端的由不同天线发射的多个无线信号，并基于这些无线信号之间的相位差来计算这些无线信号的AOD。可见，基于AOA的测向方法中的接收端以及基于AOD的测向方法中的发射端均需要配置天线阵列。

目前，作为这些天线阵列的阵元采用的是作为外置天线的胶棒天线和作为内置天线的平面倒F型天线(PIFA)。

图1为现有技术中安装有胶棒天线阵列的射频印刷电路板(RF PCB)的示意图。如图1所示，多个胶棒天线通过天线接口垂直安装在RF PCB上，虽然胶棒天线在水平面(相对于RF PCB)上的辐射场强分布比较均匀，但是从水平方向到垂直方向(RF PCB的正前方)，辐射场强趋于显著地降低，因此不利于上述测向方法的全方位测向精度均匀性，而且由于胶棒天线本身尺寸较大，特别是较长，导致在终端中占用空间较大，而且胶棒天线本身成本较高。

以PIFA天线作为阵元的另一种天线阵列中，PIFA天线采用RF PCB板载天线结构，因此在终端中占用空间较小且成本较低，但是其辐射场强分布同样存在不够理想的问题。具体地，图2为现有技术中作为用于测向的天线阵列的阵元采用的PIFA天线的辐射方向图，如图2所示，不仅在平行于XY面的水平面(即平行于RF PCB)上的辐射场强分布不均匀，而且最大辐射方向接近X方向，而Z方向(即RF PCB的正前方)的辐射场强也显著小于XY面，theta约45度的面上的辐射场强甚至更小，不利于上述测向方法的全方位测向精度均匀性。

发明内容

本申请旨在提出一种用于测向的天线阵列组件以及包括该天线阵列组件的用于测向的装置，其至少能够解决上述背景技术中提到的问题。

本申请的第一方面提供用于测向的天线阵列组件，所述天线阵列组件包括射频印刷电路板以及与所述射频印刷电路板连接的天线阵列，其中所述天线阵列以贴片天线作为阵元，且以所述射频印刷电路板作为介质基板。

在一些实施方式中，所述射频印刷电路板包括射频电路区域，其包括用于向所述贴片天线分别提供射频电流和/或从所述贴片天线分别接收射频电流的射频电路。

在一些实施方式中，所述射频印刷电路板还包括围绕所述射频电路区域的介质区域，所述贴片天线分别包括辐射单元，所述辐射单元贴装在所述介质区域的第一表面上，其中所述第一表面与所述射频电路所在侧为相同侧。

在一些实施方式中，所述射频印刷电路板还包括用于所述贴片天线的接地板，所述接地板形成在所述介质区域的与所述第一表面相对的第二表面上。

在一些实施方式中，所述辐射单元分别通过微带馈线与所述射频电路区域连接。

在一些实施方式中，所述辐射单元为圆形贴片。

在一些实施方式中，所述贴片天线为圆极化天线。

在一些实施方式中，所述天线阵列采用均匀圆形阵列。

在一些实施方式中，所述贴片天线设计成具有2.45GHz的中心频率、2.38-2.52GHz的驻波带宽、2.2dB的轴比。

在一些实施方式中，所述辐射单元的直径为36.1mm，且所述介质区域采用1.6mm厚度的FR-4材料。

本申请的另一方面提供用于测向的装置，所述装置包括如上所述的天线阵列组件。

在一些实施方式中，所述装置为在基于AOA的测向方法中的接收端，或在基于AOD的测向方法中的发射端。

应当理解，上述说明仅是本申请技术方案的概述，以便能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施。为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举说明本申请的具体实施方式。

附图说明

图1为现有技术中安装有胶棒天线阵列的RF PCB的示意图。

图2为现有技术中作为用于测向的天线阵列的阵元采用的PIFA天线的方向图。

图3为根据本申请实施例的用于测向的天线阵列组件的平面示意图

图4为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的示意性斜视图。

图5为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的示意性平面图。

图6为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的电压驻波比(VSWR)测量图表。

图7为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的输入反射系数(S11)测量图表。

图8为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的二维方向图。

图9为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的三维方向图。

图10为示出采用根据本申请实施例的天线阵列组件的测向测试结果的图表。

具体实施方式

将参考附图对各个实施例进行详细描述。只要可能的话，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对特定例子和实现的引用是出于说明的目的，并不旨在限制本申请或权利要求书的范围。

本申请的一方面提供一种用于测向的天线阵列组件，所述天线阵列组件包括射频印刷电路板(RF PCB)以及与RF PCB连接的天线阵列，其中天线阵列以贴片天线作为阵元，且以RF PCB作为介质基板。

以下结合图3至图9详细说明根据本申请实施例的用于测向的天线阵列组件。

图3为根据本申请实施例的用于测向的天线阵列组件的平面示意图。

如图3所示，天线阵列组件包括RF PCB和与RF PCB连接的天线阵列，其中天线阵列以贴片天线作为阵元，且以RF PCB作为介质基板。由于本申请的天线阵列组件采用PCB板载贴片天线作为阵元，因此可以根据需要选择与胶棒天线的组合安装。

尽管图3示出天线阵列由8个贴片天线构成，但本申请对贴片天线的数量不作特别限定，例如可以是3个以上。

尽管图3示出天线阵列采用均匀圆形阵列(UCA)，但本申请对天线阵列组件的阵列排布不作特别限定，例如天线阵列也可以采用非均匀圆形阵列、矩阵阵列等平面阵列，也可以采用线性阵列或三维阵列。

如图3所示，RF PCB可包括RF电路区域401。RF电路区域401包括用于向贴片天线分别提供射频电流和/或从贴片天线分别接收射频电流的RF电路。

如图3所示，RF PCB还可包括围绕RF电路区域401的介质区域402。每个贴片天线可包括辐射单元403，辐射单元贴装在介质区域402的第一表面上，第一表面与RF电路所在侧为相同侧，例如图3所示的正面。由此，多个贴片天线以介质区域402作为共同的介质基板。作为示例，可仅在RF电路区域401上涂有阻焊油漆，而介质区域402上不涂有阻焊油漆。

RF PCB还可包括用于贴片天线的接地板(未图示)，接地板形成在介质区域402的与第一表面相对的第二表面上，例如图3所示的底面。

辐射单元403可分别通过微带馈线404与RF电路区域401连接，从而实现从RF电路接收射频电流和/或向RF电路提供射频电流。

图4为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的示意性斜视图，图5为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的示意性平面图。

如图4和图5所示，作为阵元的贴片天线的辐射单元403为圆形贴片，但本申请对此不作特别限定，例如辐射单元403也可以为椭圆形、矩形、三角形或本领域常见的其他形状的贴片。

贴片天线可以是圆极化天线，使得垂直极化和水平极化的信号都可以接收到，使得适用范围广。尽管如图4和图5所示，辐射单元403采用引入几何微扰(例如在圆形贴片的圆周上的合适位置处形成两个对称凸耳)的单馈点结构来实现圆极化，但是本申请对此不作特别限定，例如也可以采用诸如基于隙缝或开槽的单馈点结构或多馈点结构等本领域已知的圆极化技术手段来实现圆极化。

作为示例，圆形的辐射单元403可形成为具有约36.1mm的直径，RF PCB、尤其是介质区域402可采用约1.6mm厚度的FR-4材料，其相对介电常数εr为约4.4。

作为阵元的贴片天线可设计成具有如下表1所示的参数中的至少一部分。

如表1所示，贴片天线的相位中心稳定且接近几何中心，便于处理和排布，而且相位图峰值方向指向正前方(相对于RF PCB或介质区域402)。

图6为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的电压驻波比(VSWR)测量图表，图7为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的输入反射系数(S11)测量图表。如图6和图7所示，通过HFSS仿真，贴片天线在2.4GHz至2.5GHz的较宽频带范围内呈现最高1.4652的VSWR值(即明显小于本领域公认良好的2)以及最高-14.4836db的S11值(即明显小于本领域公认良好的-10db)。

图8为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的二维方向图，图9为根据本申请实施例的天线阵列组件的阵元的三维方向图。需要说明的是，图8和图9是通过HFSS仿真获得的，其中图8的方向图是在2.45GHz的工作频率下分别获得的phi＝0°的平面和phi＝90°的平面(即如图4和图5所示的空间直角坐标中XZ面和YZ面)的增益方向图。如图8和9所示，主瓣在Z方向(即垂直于辐射单元403表面且远离介质区域402的方向)上，背瓣相对较小，且几乎没有旁瓣，而且方向图整体上呈现基本上相对于Z轴对称的半球形，尤其如图8所示，主瓣的最大增益达到3.118dB，且主瓣的宽度达到约82.68度，因此显著地有利于天线阵列组件的正前方(即介质区域402上贴装有辐射单元403的一侧)的全方位测向精度的均匀性。

本申请的另一方面还提供包括上述天线阵列组件的用于测向的装置。作为示例，在基于AOA的测向方法中，所述装置可以是接收端装置，而在基于AOD的测向方法中，所述装置可以是发射端装置。

图10为示出采用根据本申请实施例的天线阵列组件的测向测试结果的图表。需要说明的是，申请人在外场进行了基于AOD的测向方法的测向测试，具体地，将安装有根据图3所示的实施例的天线阵列组件的装置作为发射端，将安装有AOD测向算法的单天线设备作为接收端，首先将接收端分别置于以该发射端为中心、水平方向半径为1m和2m的圆周上的初始基准位置，即相对于发射端的相对方位角0度位置，随后在改变接收端的位置的同时，对每个位置分别记录实际相对方位角以及利用接收端对发射端的天线阵列发送的射频信号进行基于AOD的方位角测量，并将这些结果一同示出在图10的图表中。结果，如图10所示，相距1m和2m的方位角测量结果与实际方位角之间的均差分别为5.8563和6.1964，也就是说，所测量的方位角与实际方位角基本一致，这说明采用根据本申请实施例的天线阵列组件的用于测向的装置的测向精度非常优异。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。