一种用于隧道导航定位的天线设计方法和天线与流程

1.本发明涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种用于隧道导航定位的天线设计方法和天线。


背景技术：

2.在目前公路隧道建设显著提升了交通运输能力，但是隧道内卫星信号受到遮挡导致的导航信号缺失，直接导致车辆用户无法定位，影响大众出行的定位和安全需求。当前重点营运车辆的北斗定位监管系统已取得显著成效，大大提升了公路的安全运营，但隧道内重点运营车辆定位数据的缺失是监管部门重点关注的问题，一旦隧道内发生事故，往往由于事故位置不明确而贻误救援最佳时间，影响救援调配方案快速生成。长隧和特长隧内车辆的定位缺失问题尤为突出，隧道定位建设迫在眉睫。
3.现阶段天线部分分类：
4.1、全向天线，水平方向图上表现为360度都均匀辐射，即无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大；
5.全向天线通常由偶极子天线实现，在空间的辐射方向图，如图1所示，为全向辐射，由于考虑在隧道中工作，全向辐射方向图隧道环境带来的反射波会产生较强的多径效应，影响定位精度。通常极化方向为垂直极化，而导航卫星天线为右旋圆极化，极化不匹配。
6.2、定向天线在隧道中某一个或某几个特定方向上发射和接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射和接收电磁波则为零或极小。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性，增强信号强度增加抗干扰能力。定向天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性。同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高的环境。
7.3、高定向天线外置在隧道口，由外向里进行直接覆盖，随着距离的增加，渐渐出现衰落。通常在隧道中间部分信号较差，甚至无法使用。
8.4、贴片天线是一个饼状的定向天线，由两个金属板(其中一个金属板比另一个大)叠加组成，中间有个片状介电质，比较适用于覆盖单层小型办公室、小型商店及其他接入点不能放在中央的室内地点，因此不适用于在隧道内工作。
9.5、微带贴片天线及微带阵印制天线是用印制电路制造工艺构建的,其一部分金属层是起辐射作用，传播范围在30度至180度之间。微带天线贴片与贴片阵是印制天线的最普通的形式,由于微带天线的体积小,重量轻,便于集成等优点。但同样，不适用于在隧道内工作。
10.综上可见，尽管高速公路隧道的覆盖可以采用高定向天线外置在隧道口，由外向里进行直接覆盖，但是，如图2所示，高速公路的隧道覆盖多数采用隧道外建设基站，信号的衰落受车辆的影响较小，而是随着距离的增加，渐渐出现衰落。现有技术中采用的各种天线通常在隧道中间部分信号较差，甚至无法使用。
11.因此，亟需提出一种新型的适用于隧道导航定位的天线设计方法及一种适用于隧道导航定位的天线。


技术实现要素：

12.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于隧道导航定位的天线设计方法及一种适用于隧道导航定位的天线。
13.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
14.一种用于隧道导航定位的天线设计方法，天线设计方法包括：
15.天线结构模型构建步骤：根据隧道导航定位天线技术指标需求，构建天线结构模型为四臂螺旋天线，四臂螺旋天线的波束宽度为大于等于85度，四臂螺旋天线包括：对称设置的四根螺旋臂，螺旋臂包括直线臂部分和螺旋臂部分，每根螺旋臂长度为预定长度阈值的四分之一的倍数，预定长度阈值为正整数。
16.优选的，上述天线结构模型构建步骤进一步包括：
17.当预定长度阈值为正偶数，螺旋臂长度为预定长度阈值的四分之一的偶数倍，则螺旋臂的终端短路；当预定长度阈值为正奇数，螺旋臂长度为预定长度阈值的四分之一的奇数倍，则螺旋臂的终端开路。
18.优选的，上述天线结构模型构建步骤具体包括：
19.每根螺旋臂的馈电端电流相等，且两两之间的相位相差90
°
，每根螺旋臂的相位分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。
20.优选的，上述天线结构模型构建步骤还包括：
21.结构参数计算步骤：四臂螺旋天线的结构参数为
22.其中，l
ax
为螺旋臂的螺旋的轴向长度，l
ele
为螺旋臂的长度，r0是螺旋臂的螺旋的半径；n为螺旋臂的螺旋的圈数；预定长度阈值为奇数时a＝1，预定长度阈值为偶数时a＝2。
23.优选的，上述天线设计方法还包括：
24.馈电设计步骤：采用馈电网络与四臂螺旋天线匹配，四臂螺旋天线获得右旋圆极化，四臂螺旋天线馈电点输入四个等幅且相位相差90度的电场信号合路移相后，四臂螺旋天线的终端获得一路同相信号输出，馈电网络包括多个正交耦合器或微带线合路。
25.优选的，上述天线设计方法还包括：
26.电性能设计步骤：基于多个电性能设计参数及多种方向图，对四臂螺旋天线的发射和接收电磁波的能力进行设计，以达到预定的电性能设计标准。
27.优选的，上述天线结构模型构建步骤还包括：
28.形态结构设计步骤：四臂螺旋天线为正方形，四臂螺旋天线总高度为25～30毫米，四臂螺旋天线的外壳顶面为正方形，外壳顶面正方形边尺寸为30～40毫米，四臂螺旋天线底板为正方形，底板正方形边尺寸为45～60毫米。
29.优选的，上述形态结构设计步骤，还包括：
30.四臂螺旋天线底板的底部设置有四臂螺旋天线的射频接口，四臂螺旋天线通过ipex座子与其他设备的ipex接口连接。
31.优选的，上述四臂螺旋天线的辐射方向覆盖上半球空间，四臂螺旋天线为多臂多馈点，实现了右旋圆极化和相位中心性能。
32.本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
33.一种用于隧道导航定位的天线，其特征在于，采用如上所述用于隧道导航定位的天线设计方法的步骤。
34.本方法发明的有益效果是：
35.1)四臂螺旋天线其辐射方向可覆盖上半球空间，低仰角的辐射性能较好，负仰角也有辐射，天线能在宽带上实现圆极化辐射。
36.2)四臂螺旋天线作为臂状螺旋天线可放置在隧道内中心位置，符合隧道内使用需求。
37.3)四臂螺旋天线单元增益高，信号覆盖范围面积大，可实现隧道内信号全覆盖。
38.4)四臂螺旋天线纵向尺寸小，整体体积小，适合批量生产。
39.本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为现有技术全向天线在空间辐射的3d方向图；
42.图2为现有技术高速公路隧道的覆盖示意图；
43.图3为现有技术隧道内天线波束垂直辐射示意图；
44.图4为本发明天线设计方法流程示意图；
45.图5为本发明实施例馈电网络示意图；
46.图6为本发明实施例电性能仿真结果3d方向示意图；
47.图7为本发明实施例垂直方向示意图；
48.图8为本发明实施例水平面方向示意图；
49.图9为本发明实施例天线轴比示意图；
50.图10为本发明实施例天线增益随频率变化的示意图；
51.图11a为本发明实施例天线正面结构接口尺寸示意图；
52.图11b为本发明实施例天线侧面结构接口尺寸示意图；
53.图11c为本发明实施例天线底面结构接口尺寸示意图。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
55.本发明旨在提供一种隧道导航定位波束宽度85度四臂螺旋天线，根据隧道特点，隧道高度按5.5米计，天线波束垂直向下辐射，如见图3所示，天线波束宽度为85度在地面可以近似覆盖
±
5.0米，按此要求设计，表1为隧道导航定位天线技术指标要求，天线指标见表1所示。
[0056][0057]
波束宽度是衡量双极化天线性能的指标要求之一。通常把主瓣两边半功率点之间的夹角定义为天线方向图的波束宽度。通常主瓣波束宽度越宽，天线的方向性越差，增益也就越低，易于受外界干扰较大。反之，天线的方向性越好，增益也就越高，不易受外界干扰。
[0058]
天线增益指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线(通常采用理想点源)在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。增益越高，天线长度越长。
[0059]
天线增益：u(θ,φ)是考虑了天线损耗后的辐射强度，p
in
是天线得到的输入功率。
[0060]
天线增益与波束宽度的关系：
[0061]
g(dbi)＝10lg{32000/(θ3db，e
×
θ2db,h)}。
[0062]
式中，2θ3db，e与2θ3db，h分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度；32000为统计出来的经验数据。
[0063]
本发明解决上述技术问题的一技术方案如下：
[0064]
本发明提供的一种用于隧道导航定位的天线设计方法，如图4所示，天线设计方法包括：
[0065]
天线结构模型构建步骤：根据隧道导航定位天线技术指标需求，构建天线结构模型为四臂螺旋天线，四臂螺旋天线的波束宽度为大于等于85度，四臂螺旋天线包括：对称设
置的四根螺旋臂，螺旋臂包括直线臂部分和螺旋臂部分，每根螺旋臂长度为预定长度阈值的四分之一的倍数，预定长度阈值为正整数。
[0066]
优选的，上述天线结构模型构建步骤进一步包括：
[0067]
当预定长度阈值为正偶数，螺旋臂长度为预定长度阈值的四分之一的偶数倍，则螺旋臂的终端短路；当预定长度阈值为正奇数，螺旋臂长度为预定长度阈值的四分之一的奇数倍，则螺旋臂的终端开路。
[0068]
优选的，上述天线结构模型构建步骤具体包括：
[0069]
每根螺旋臂的馈电端电流相等，且两两之间的相位相差90
°
，每根螺旋臂的相位分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。
[0070]
优选的，上述天线结构模型构建步骤还包括：
[0071]
结构参数计算步骤：四臂螺旋天线的结构参数为
[0072]
其中，l
ax
为螺旋臂的螺旋的轴向长度，l
ele
为螺旋臂的长度，r0是螺旋臂的螺旋的半径；n为螺旋臂的螺旋的圈数；预定长度阈值为奇数时a＝1，预定长度阈值为偶数时a＝2。
[0073]
优选的，上述天线设计方法还包括：
[0074]
馈电设计步骤：采用馈电网络与四臂螺旋天线匹配，四臂螺旋天线获得右旋圆极化，四臂螺旋天线馈电点输入四个等幅且相位相差90度的电场信号合路移相后，四臂螺旋天线的终端获得一路同相信号输出，馈电网络包括多个正交耦合器或微带线合路。
[0075]
优选的，上述天线设计方法还包括：
[0076]
电性能设计步骤：基于多个电性能设计参数及多种方向图，对四臂螺旋天线的发射和接收电磁波的能力进行设计，以达到预定的电性能设计标准。
[0077]
优选的，上述天线结构模型构建步骤还包括：
[0078]
形态结构设计步骤：四臂螺旋天线为正方形，四臂螺旋天线总高度为25～30毫米，四臂螺旋天线的外壳顶面为正方形，外壳顶面正方形边尺寸为30～40毫米，四臂螺旋天线底板为正方形，底板正方形边尺寸为45～60毫米。
[0079]
优选的，上述形态结构设计步骤，还包括：
[0080]
四臂螺旋天线底板的底部设置有四臂螺旋天线的射频接口，四臂螺旋天线通过ipex座子与其他设备的ipex接口连接。
[0081]
优选的，上述四臂螺旋天线的辐射方向覆盖上半球空间，四臂螺旋天线为多臂多馈点，实现了右旋圆极化和相位中心性能。
[0082]
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
[0083]
一种用于隧道导航定位的天线，其特征在于，采用如上所述用于隧道导航定位的天线设计方法的步骤。
[0084]
以下结合附图对本发明具体实施例进行详细说明：
[0085]
通常情况下，微带天线常规的3db波束宽度是105deg(角度单位)，螺旋天线大约120deg，可以适当展宽。考虑到隧道应用的特殊性，用微带较好，成本低。螺旋天线的成本要高，但波束宽度更宽，波束宽度越宽，最大增益越低。
[0086]
选取四臂螺旋天线方案，该天线具有以下特点：
[0087]
它由四根螺旋臂组成，四根螺旋臂每根的长度为四分之一波长的整数倍，每根螺旋臂长度为m/4(m为整数)，若螺旋臂长度是m/4的偶数倍(m为偶数)，则终端短路；若螺旋臂长度是m/4的奇数倍(m为奇数)，则终端开路，螺旋臂长度包括直线部分和螺旋部分。四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差90
°
(分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
)。
[0088]
天线的结构参数为
[0089]
式中，l
ax
是螺旋的轴向长度，单位为毫米；l
ele
是螺旋臂的长度，单位为毫米；r0是螺旋的半径，单位为毫米；n为螺旋的圈数；m为奇数时a＝1，m为偶数时a＝2。本发明并不以此为限，a还可以设定其他取值。
[0090]
其辐射方向图可覆盖上半球空间，低仰角的辐射性能较好，负仰角也有辐射。由于天线结构的高度对称性，四臂螺旋天线的圆极化性能也较好，有着较大的轴比带宽，且通常大于阻抗带宽，这意味着天线能在宽带上实现圆极化辐射。
[0091]
纵向尺寸小；采用多臂多馈点设计，保证了右旋圆极化和相位中心性能；天线单元增益高，波束宽度可根据技术要求设计；信号覆盖范围面积大；适合批量生产。
[0092]
右旋圆极化和相位中心性能：无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。电场的方向还可以是螺旋旋转的，叫椭圆极化波。若右手大拇指朝向波传播方向(z方向)，其余四指的转向与e场转向一致，称之为右旋圆极化。
[0093]
天线相位中心，也就是指天线向外辐射能量的等效辐射中心点。空间形成的电磁波都可以做是从球面波的球心处发出的，那么该球心就等同于天线的相位中心。
[0094]
1.馈电设计
[0095]
本方案中隧道导航定位天线要求右旋圆极化。圆极化波的特点是，电场的垂直分量和水平分量的大小相等而相位相差90度。一般情况下，天线是线极化的。但若对天线采用特殊的馈电方式，在天线馈电中激励两个简并得正交模式，使之幅度相等相位相差90度，即可以获得圆极化波。馈电网络主要用作天线匹配，并使之获得右旋圆极化，使天线馈电点输入的四个等幅且相位相差90度的电场信号合路移相后终端得到一路同相信号输出。
[0096]
为了产生90度相移，传统可以采用下列两种形式：(1)通过馈电网络，一般采用定向耦合器；(2)通过自相移结构，双臂螺旋1的单元要调长于谐振长度以产生一个相角为+45的输入阻抗，双臂螺线2则调短以产生-45的相角。
[0097]
自相移结构的四臂螺旋天线，尽管结构简单，但由于相位控制需要结构同时满足很多条件，实现起来相对困难，而且该结构的带宽较窄。而采用定向耦合器进行馈电，虽然结构复杂，但能很好的实现相位控制。
[0098]
馈电网络主要用作天线匹配，并使之获得右旋圆极化，它使天线馈电点输入的四个等幅且相位相差90度的电场信号合路移相后终端得到一路同相信号输出。如图5所示，采用3个正交(90度)耦合器或微带线合路实现。其中，hybrid 90度：相位反转90度，ohm：欧姆。
[0099]
2.电性能设计
[0100]
方向图用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力。一般为三维辐射立体图。实际评判中是其转化成的二维平面图形，即水平面方向图及垂直面方向图。
[0101]
电性能仿真结果如图6、图7及图8所示。图6为本发明实施例电性能仿真结果3d方向示意图；图7为本发明实施例垂直方向示意图；图8为本发明实施例水平面方向示意图；
[0102]
如图8所示，theta＝45度；phi是方位面(水平面)内的角度，范围0～360度，mag为回波损耗测试，主要用来测试天线的驻波比，ang为信号水平杂散比值。由图6、7、8可知，天线的信号辐射良好无缺陷。
[0103]
如图9所示，天线轴比这个指标一般适用于圆极化天线，用于衡量圆极化的理想程度。lastadaptive给定的一个频率点的特性。天线轴比这个指标一般适用于圆极化天线，用于衡量圆极化的理想程度。由图9可知轴比低于3db的角度范围为-55
°
～+55
°
，达到了良好的轴比。
[0104]
如图10所示，其中，theta是俯仰面(竖直面)内的角度，范围0～180度。天线增益随频率产生变化，由图10可知信号频率在1.5ghz到1.6ghz时增益最好。
[0105]
3.天线结构设计
[0106]
本发明具体实施例中，天线形态尺寸正方形，天线总高度约为28.3毫米，底板尺寸为50
×
50毫米，底板pcb尺寸上预留四角定位孔，大小为φ2.6毫米固定孔与后端设备预留的m2.5毫米螺纹孔用螺钉相连接固定。但本发明并不以此为限，还可以选取其他结构尺寸。
[0107]
如图11a、图11b、图11c所示，天线结构尺寸：
[0108]
50.0毫米为天线底板长宽，35.0毫米为天线外壳长宽，28.3毫米为天线高度，38毫米为底板固定螺孔的间距，10毫米为ipex接口距离地板中心线间距。但本发明并不以此为限，还可以选取其他结构尺寸。
[0109]
天线射频接口由正方形底部引出，通过通孔接入到各类设备的ipex接口，天线上采用ipex座子，可以使用ipex馈线连接即可。但本发明并不以此为限，还可以选取其他连接方式。
[0110]
表2隧道导航定位天线2(85
°
波束宽度)性能符合表，隧道导航定位天线2性能符合性见表2所示。
[0111]
[0112][0113]
本发明与现有技术相比：
[0114]
1、四臂螺旋天线方案辐射方向可覆盖上半球空间，低仰角的辐射性能较好，负仰角也有辐射，且由于天线结构的高度对称性，天线能在宽带上实现圆极化辐射，符合隧道内使用要求。
[0115]
2、天线采用多臂多馈点设计，保证了右旋圆极化和相位中心性能，天线单元增益高。
[0116]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0117]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0118]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0119]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0120]
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0121]
基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
[0122]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0123]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。