用于藍牙和超寬帶融合定位的倒F陣列天線(xiàn)設計*

*本文研究工作得到福建省自然科學(xué)基金項目“基于無(wú)人機的三維室內地圖構建方法研究”（項目編號：2020J01039）、漳州市科技計劃項目“基于云計算的無(wú)人機3D室內地圖構建技術(shù)研究”（項目編號：ZZ2020J04）、福建省高校杰出青年科研人才培育計劃項目(閩教科[2017]52號)的資助。

室內定位系統是由多組定位信標依靠室內無(wú)線(xiàn)通信連接而成的新型高精度定位系統。近年來(lái)，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數據技術(shù)的發(fā)展，室內定位的應用領(lǐng)域日益廣泛。藍牙和超寬帶（UWB）是目前最成熟的室內定位頻段，他們各自有著(zhù)自己的優(yōu)缺點(diǎn)。藍牙室內定位系統成本低、功耗小、易于部署，但是有較大的傳輸延時(shí)，定位實(shí)時(shí)性不夠好，定位精度只能達到米級。超寬帶室內定位系統探測距離遠、傳輸速率高、定位實(shí)時(shí)性好，具有較高的多徑分辨率，可以穿透各種材料，包括墻、木板、玻璃等，在室內復雜環(huán)境下可以實(shí)現厘米級的定位精度，但是功耗較大，單獨使用會(huì )對定位信標的供電系統造成較大壓力^[1-5]。

將兩種室內定位系統相結合，筆者團隊設計出藍牙和超寬帶融合室內定位系統，使用超寬帶通信頻段進(jìn)行定位信標探測，使用藍牙通信頻段進(jìn)行定位數據傳輸，可以兼具藍牙室內定位系統低成本、低功耗和超寬帶室內定位系統探測距離遠、傳輸速率高、定位實(shí)時(shí)性好、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。該系統信標天線(xiàn)需要能夠兼容藍牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz 頻段[6-9] 和超寬帶通信6.400 ～ 6.600 GHz 頻段^[10-12]，在藍牙通信頻段能夠全向輻射，在超寬帶通信頻段能夠定向輻射。

本團隊的研究填補了國內定位信標天線(xiàn)領(lǐng)域的空白，目前國內已公開(kāi)和已授權的所有定位信標天線(xiàn)的專(zhuān)利，國內外已報道的所有兼具藍牙和超寬帶頻段覆蓋能力、兼具全向和定向輻射能力的定位信標天線(xiàn)均是本團隊成員的前期研究成果。

1   感應輻射陣列結構簡(jiǎn)介

感應輻射陣列由饋電貼片和感應貼片組成。感應貼片本身不饋電，它們吸收饋電貼片的部分輻射能量后，產(chǎn)生感應輻射。當饋電貼片和感應貼片大小不一樣時(shí)，它們會(huì )在不同頻段產(chǎn)生輻射，并通過(guò)輻射同相疊加實(shí)現雙頻和多頻工作。

2   分形光子晶體結構簡(jiǎn)介

分形結構具有迭代產(chǎn)生的自相似性，可以使天線(xiàn)輻射貼片擁有均勻分布的射頻電流，保證天線(xiàn)具有較好的寬頻帶輻射能力。光子晶體結構產(chǎn)生的光子帶隙能夠全部或部分阻礙電磁波的傳播，當光子帶隙頻率與天線(xiàn)的工作中心頻率一致時(shí)，將部分阻止天線(xiàn)在原工作中心頻率向某個(gè)方向的能量輻射，使天線(xiàn)在該頻率具有較好的定向輻射能力。

3   天線(xiàn)結構設計

天線(xiàn)整體尺寸為27 mm×27 mm×1 mm，使用FR4基板作為介質(zhì)基板。

天線(xiàn)輻射貼片整體結構如圖1 所示。在天線(xiàn)設計中使用了倒F 天線(xiàn)結構，它是一種變形單極子天線(xiàn)結構，具有結構簡(jiǎn)單、易于集成、工作帶寬大、輻射強度大等優(yōu)點(diǎn)。饋電倒F 輻射貼片由三段微帶線(xiàn)組成，線(xiàn)寬均為1 mm，橫向微帶線(xiàn)長(cháng)度為7 mm，兩段縱向微帶線(xiàn)長(cháng)度分別為5 mm 和6 mm。8 片感應倒F 輻射貼片結構一致，均由三段微帶線(xiàn)組成，線(xiàn)寬均為0.5 mm，橫向微帶線(xiàn)長(cháng)度為3.5 mm，兩段縱向微帶線(xiàn)長(cháng)度分別為1.5 mm 和3 mm。饋電倒F 貼片位于中央，工作在藍牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz 頻段，8 片感應倒F 貼片位于四周，它們通過(guò)感應輻射，工作在超寬帶通信6.400 ～ 6.600 GHz 頻段。

圖1 天線(xiàn)輻射貼片結構示意圖

天線(xiàn)的接地板劃分為9 個(gè)3 mm×3 mm的方形區域，中心的方形區域是2 階謝爾賓斯基分形結構，四周的8個(gè)方形區域按照順時(shí)針順序分別在區域中心挖出邊長(cháng)為1 mm、3 mm、5 mm、3 mm、1 mm、3 mm、5 mm、3 mm 的漸變方形孔。這種由漸變方形孔周期排列組成的光子晶體結構和分形結構相結合，得到分形光子晶體結構，可以在超寬帶頻段反射8 片感應倒F 輻射貼片向接地板方向的輻射，使天線(xiàn)整體在超寬帶頻段具有定向輻射能力。

圖2 分形光子晶體結構示意圖

4   天線(xiàn)輻射性能測試

我們制作了天線(xiàn)樣品，并對其輻射性能和方向圖性能進(jìn)行了實(shí)際測試，結果如圖3、圖4、圖5、圖6 所示。天線(xiàn)低頻段工作頻率范圍為2.076 ～ 2.751 GHz，工作帶寬為0.675 GHz，回波損耗最小值為-28.03 dB；高頻段工作頻率范圍為6.232 ～ 6.804 GHz，工作帶寬為0.572 GHz，回波損耗最小值為-25.84 dB。天線(xiàn)完全覆蓋了藍牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz 頻段和超寬帶通信6.400 ～ 6.600 GHz 頻段，在兩個(gè)頻段的輻射性能較為均衡且有較大性能冗余。

天線(xiàn)在藍牙頻段的方向圖電面和磁面都覆蓋了所有輻射角度，具有優(yōu)異的全向輻射能力。

天線(xiàn)在超寬帶頻段的方向圖電面主瓣比副瓣的輻射強度高8.5 dB，主瓣比后瓣的輻射強度高6.1 dB；方向圖磁面主瓣比副瓣的輻射強度高7.1 dB，主瓣比后瓣的輻射強度高5.7 dB；天線(xiàn)在超寬帶頻段具有較好的定向輻射能力。

圖3 天線(xiàn)輻射性能實(shí)測結果

圖4 天線(xiàn)藍牙頻段方向圖

圖5 天線(xiàn)超寬帶頻段E面方向圖

圖6 天線(xiàn)超寬帶頻段H面方向圖

5   結論

本文將倒F 天線(xiàn)結構、感應輻射陣列結構、漸變縫隙結構、分形光子晶體結構相結合，應用于室內定位天線(xiàn)設計領(lǐng)域，成功地設計制作了一款用于藍牙和超寬帶融合定位的倒F 陣列天線(xiàn)。

在設計中，使用饋電倒F 輻射貼片實(shí)現對藍牙頻段的覆蓋；使用感應倒F 輻射貼片吸收饋電倒F 輻射貼片的部分輻射能量，并產(chǎn)生二次感應輻射實(shí)現對超寬帶頻段的覆蓋；使用分形光子晶體結構反射感應倒F 輻射貼片向接地板方向的輻射，實(shí)現天線(xiàn)在超寬帶頻段定向輻射。該款天線(xiàn)能夠完全覆蓋藍牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz頻段和超寬帶通信6.400 ～ 6.600 GHz 頻段，兼具全向輻射能力和定向輻射能力，在高精度低功耗室內定位領(lǐng)域有很好的應用前景。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）