CN212647518U - 一种新型复合式uwb电子标签 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种新型复合式UWB电子标签。所述一种新型复合式UWB电子标签包括：天线、第一射频控制开关、第二射频控制开关、功率放大器、低噪声放大器、衰减器和MCU芯片；功率放大器一端连接第一射频控制开关，功率放大器另一端连接第二射频控制开关；低噪声放大器一端连接衰减器，低噪声放大器另一端连接第二射频控制器。其中在发射路径上设置了功率放大器，使得发射信号的功率加大，提高了抗干扰能力。在接收路径上设置了低噪声放大器，能够降低接收噪声系数而改善接收灵敏度，且在低噪声放大器一端连接衰减器，可避免接收信号过饱和。

Description

一种新型复合式UWB电子标签

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种新型复合式UWB电子标签。

背景技术

超宽带(Ultra Wideband简称为UWB)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，并可利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位，精度可以达到10厘米左右，并且具有功耗小、抗干扰能力强、抗多径效应能力强等优点。

UWB技术在短距离高速数据传输应用上虽然优势明显，然而无论是单脉冲信号还是多脉冲信号,其发射功率强度有限，不能很好的抵抗突发脉冲的干扰和有效的远距离通信。故而在某些特殊应用的场合比如军事、矿井通信，电磁环境恶劣情况下通信就受到限制。

此外现有的标签天线体型大，不易于集成和小型化，并且阻抗带宽带窄，不具有带阻或滤波特性，抗干扰性能不佳。这种种缺点都使得现有UWB电子标签的功能和应用都受到限制。

实用新型内容

为此，需要提供一种新型复合式UWB电子标签，用以解决现有电子标签天线体型大，抗干扰性能不佳等问题。具体技术方案如下：

一种新型复合式UWB电子标签，包括：天线、第一射频控制开关、第二射频控制开关、功率放大器、低噪声放大器、衰减器和MCU芯片；

所述功率放大器一端连接所述第一射频控制开关，所述功率放大器另一端连接所述第二射频控制开关；

所述低噪声放大器一端连接衰减器，所述低噪声放大器另一端连接所述第二射频控制器；

所述衰减器连接所述第一射频控制开关；

所述第二射频控制器连接所述天线；

所述MCU芯片连接所述第一射频控制开关，所述MCU芯片连接所述第二射频控制开关；

所述天线包括：基板、振子、微带馈线和接地贴片；

所述振子为椭圆形，所述振子与所述微带馈线均设置于所述基板正面，所述振子连接所述微带馈线形成电流通路；

所述接地贴片设置于基板背面，所述接地贴片呈半椭圆形状；

所述振子上开有缝隙，所述缝隙呈开口指向微带馈线的匚型状，所述缝隙位于所述振子中间部位，所述缝隙总长度为陷波中心频率对应波长的二分之一。

进一步的，所述天线与所述第二射频控制开关连接线路间设置有π型阻抗匹配。

进一步的，所述功率放大器型号为GRF2101。

进一步的，所述低噪声放大器型号为BGB707L7ESD。

进一步的，所述衰减器包括三个电阻器，所述三个电阻器以π型组成RF 衰减器。

进一步的，信号处理器，所述信号处理器连接所述第一射频控制开关；

所述信号处理器用于发射信号和接收信号；

所述信号处理器型号为DW1000。

进一步的，所述基板为基片FR-4。

进一步的，所述基板厚度为2mm。

进一步的，所述微带馈线为50欧微带线。

进一步的，所述接地贴片与所述振子的间距为0.1mm。

进一步的，所述陷波中心频率为5.8Ghz。

本实用新型的有益效果是：在本实用新型中，通过第一射频控制开关和第二射频控制开关来切换电子标签接收信号和发射信号，其中在发射路径上设置了功率放大器，使得发射信号的功率加大，提高了抗干扰能力。而在接收路径上设置了低噪声放大器，能够降低接收噪声系数而改善接收灵敏度，且在低噪声放大器一端连接衰减器，可避免接收信号过饱和。

此外天线中的振子采用椭圆形，在所述振子上开有缝隙，所述缝隙呈开口指向微带馈线的匚型状，所述缝隙位于所述振子中间部位，所述缝隙总长度为陷波中心频率对应波长的二分之一。在超宽带天线印刷椭圆天线中，根据天线的电流边缘化特性，适当的在振子中扣掉一部分，对天线的阻抗影响可以控制在可接受范围内。在振子上开总长度为对应陷波中心频率对应的1/2 波长的缝隙，使相应的陷波频率下电流集中在缝隙的两个端口处，两个端口处电流反向，使两个端口处产生的磁场互相抵消，破坏了天线原有的辐射特性，从而抑制了该频段天线的辐射。故在椭圆形振子体上开缝隙的方法，可使天线在超宽带通信中存在干扰的频段上实现陷波功能。

所述天线与所述第二射频控制开关连接线路间设置有π型阻抗匹配，以改善驻波。

所述基板为基片FR-4，其介电常数为4.4，厚度为2mm，有利于缩小振子体积。使得天线更小巧化。

接地贴片呈半椭圆形状，具有更均匀的辐射特性和更好的匹配特性。其中所述振子为椭圆形，其光滑的渐变结构有利于能量辐射，减小反射。

附图说明

图1为具体实施方式所述一种新型复合式UWB电子标签模块连接示意图；

图2为具体实施方式所述一种新型复合式UWB电子标签电路连接图一；

图3为具体实施方式所述MCU芯片电路示意图；

图4为具体实施方式所述6轴加速度计、3轴磁力计、气压计电路示意图；

图5为具体实施方式所述天线的结构示意图；

图6为具体实施方式所述天线的结构和尺寸示意图；

图7为具体实施方式所述陷波效果示意图。

附图标记说明：

100、新型复合式UWB电子标签，

101、天线，

102、第一射频控制开关，

103、第二射频控制开关，

104、功率放大器，

105、低噪声放大器，

106、衰减器，

107、MCU芯片，

1、基板，

2、振子，

3、微带馈线，

4、接地贴片，

5、缝隙。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图7，在本实施方式中，一种新型复合式UWB电子标签的具体实施方式如下：

一种新型复合式UWB电子标签，包括：天线101、第一射频控制开关102、第二射频控制开关103、功率放大器104、低噪声放大器105、衰减器106和MCU芯片107；

所述功率放大器104一端连接所述第一射频控制开关102，所述功率放大器104另一端连接所述第二射频控制开关103；

所述低噪声放大器105一端连接衰减器106，所述低噪声放大器105另一端连接所述第二射频控制器；

所述衰减器106连接所述第一射频控制开关102；

所述第二射频控制器连接所述天线101；

所述MCU芯片107连接所述第一射频控制开关102，所述MCU芯片107连接所述第二射频控制开关103；

所述天线101包括：基板1、振子2、微带馈线3和接地贴片4；

所述振子2为椭圆形，所述振子2与所述微带馈线3均设置于所述基板1 正面，所述振子2连接所述微带馈线3形成电流通路；

所述接地贴片4设置于基板1背面，所述接地贴片4呈半椭圆形状；

所述振子2上开有缝隙5，所述缝隙5呈开口指向微带馈线3的匚型状，所述缝隙5位于所述振子2中间部位，所述缝隙5总长度为陷波中心频率对应波长的二分之一。

在本实施方式中，采用型号为DW1000的芯片作为信号发射器和信号接收器，其具体电路图与一种新型复合式UWB电子标签的电路连接图如图2所示。在本实施方式中，MCU芯片107型号为nRF52832，具体电路图如图3所示。

以下分别对该线路发射信号和接收信号两种情况进行说明：

发射信号：通过MCU芯片107控制第一射频控制开关102和第二射频控制开关103切换电路为发射信号，DW1000的发射信号经过功率放大器104后再经由天线101发射出去。在本实施方式中，采用18dB增益的功率放大器104 添加至发射路径上，可将DW1000的发射信号功率由之前的-41.3dBm/MHz提升到－23.3dBm/MHz。PA采用GRF的GRF2101，工作频段为4.0to 10.0GHz，噪声系数0.90dB，增益18.0dB，1dB压缩点10.0dBm。通过在发射路径上增设功率放大器104，可提升整个系统的测距范围。当节点之间有物体遮挡时，直接路径的信号穿过物体会衰减，如果衰减到接收节点的接收阈值以下就不能检测到直接路径而是检测到距离更远的反射路径，从而会造成测距误差。因此提升信号的发射功率更重要的是当通信直接路径上有遮挡的时候，射频信号在穿过遮挡物体后能够保存更高的传播功率，使其更容易被接收节点检测到，从而保证了节点之间测距的精度。

接收信号：通过MCU芯片107控制第一射频控制开关102和第二射频控制开关103切换电路为接收信号，在接收路径上添加合适的低噪声放大器105 能够改善接收灵敏度。低噪声放大器105能够降低接收噪声系数从而改善 DW1000的接收灵敏度。低噪声放大器105采用BGB707L7ESD有效的改善了3～ 4dB接收灵敏度。

此外在低噪声放大器105之后添加一个衰减器106防止DW1000接收信号过饱和。衰减器106可以通过使用3个电阻器以π型组成RF衰减器106。

在本实施方式中，进一步的，天线101接收馈线到射频开关之间的线路增加π型阻抗匹配以改善驻波。

进一步的，在本实施方式中，还包括：信号处理器，所述信号处理器连接所述第一射频控制开关102；

所述信号处理器用于发射信号和接收信号；

所述信号处理器型号为DW1000。

在本实施方式中，所述新型复合式UWB电子标签还可集成6轴加速度计， 3轴磁力计，气压计，功能多样，适合多场景应用。其电路图如图4所示。

如图5所示，所述天线101，包括：基板1、振子2、微带馈线3和接地贴片4；所述振子2为椭圆形，所述振子2与所述微带馈线3均设置于所述基板1正面，所述振子2连接所述微带馈线3形成电流通路；所述接地贴片4 设置于基板1背面，所述接地贴片4呈半椭圆形状；所述振子2上开有缝隙5，所述缝隙5呈开口指向微带馈线3的匚型状，所述缝隙5位于所述振子2中间部位，所述缝隙5总长度为陷波中心频率对应波长的二分之一。

振子2采用椭圆形，在所述振子2上开有缝隙5，所述缝隙5呈开口指向微带馈线3的匚型状，所述缝隙5位于所述振子2中间部位，所述缝隙5总长度为陷波中心频率对应波长的二分之一。在超宽带天线101印刷椭圆天线 101中，根据天线101的电流边缘化特性，适当的在振子2中扣掉一部分，对天线101的阻抗影响可以控制在可接受范围内。在振子2上开总长度为对应陷波中心频率对应的1/2波长的缝隙5，使相应的陷波频率下电流集中在缝隙 5的两个端口处，两个端口处电流反向，使两个端口处产生的磁场互相抵消，破坏了天线101原有的辐射特性，从而抑制了该频段天线101的辐射。故在椭圆形振子2体上开缝隙5的方法，可使天线101在超宽带通信中存在干扰的频段上实现陷波功能，如图7所示。

以下结合图6进行具体说明：

在本实施方式中，所述基板1为基片FR-4。其介电常数为4.4，厚度为 2mm，有利于缩小振子2体积。使得天线101更小巧化。

所述振子2为椭圆形，其光滑的渐变结构有利于能量辐射，减小反射。其中基板1长为b＝47mm，宽为a＝45mm，振子2的VSWR<2的阻抗带宽为3-10Ghz。

优选地，所述微带馈线3为50欧微带线。其中所述接地贴片4的高h＝24mm，所述接地贴片4与所述振子2的间距为0.1mm。该距离长度使得两谐振点间的阻抗带宽的回损均小于-10db。

在本实施方式中，所涉及的天线101的陷波中心频率为5.8GHz，5.8GHz 的波长约为52mm，半波长约为26mm，故缝隙5总长度2e+f＝26mm。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本实用新型的专利保护范围。因此，基于本实用新型的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，包括：天线、第一射频控制开关、第二射频控制开关、功率放大器、低噪声放大器、衰减器和MCU芯片；

所述功率放大器一端连接所述第一射频控制开关，所述功率放大器另一端连接所述第二射频控制开关；

所述低噪声放大器一端连接衰减器，所述低噪声放大器另一端连接所述第二射频控制器；

所述衰减器连接所述第一射频控制开关；

所述第二射频控制器连接所述天线；

所述MCU芯片连接所述第一射频控制开关，所述MCU芯片连接所述第二射频控制开关；

所述天线包括：基板、振子、微带馈线和接地贴片；

所述振子为椭圆形，所述振子与所述微带馈线均设置于所述基板正面，所述振子连接所述微带馈线形成电流通路；

所述接地贴片设置于基板背面，所述接地贴片呈半椭圆形状；

所述振子上开有缝隙，所述缝隙呈开口指向微带馈线的匚型状，所述缝隙位于所述振子中间部位，所述缝隙总长度为陷波中心频率对应波长的二分之一。

2.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，所述天线与所述第二射频控制开关连接线路间设置有π型阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，

所述功率放大器型号为GRF2101。

4.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，

所述低噪声放大器型号为BGB707L7ESD。

5.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，

所述衰减器包括三个电阻器，所述三个电阻器以π型组成RF衰减器。

6.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，还包括：信号处理器，所述信号处理器连接所述第一射频控制开关；

所述信号处理器用户发射信号和接收信号；

所述信号处理器型号为DW1000。

7.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，

所述基板为基片FR-4；

所述基板厚度为2mm。

8.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，

所述微带馈线为50欧微带线。

9.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，

所述接地贴片与所述振子的间距为0.1mm。

10.根据权利要求1所述的一种新型复合式UWB电子标签，其特征在于，

所述陷波中心频率为5.8Ghz。

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