用于藍牙室內定位的生長(cháng)式分形天線(xiàn)

* 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。

室內定位系統是一種短距離、高精度定位系統，是伴隨著(zhù)無(wú)人機技術(shù)、智能汽車(chē)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數據技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的全新的定位系統。室內定位系統使用多組信標，依靠室內無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現數據傳輸和同步，廣泛應用于無(wú)人機室內飛行精確定位、智能車(chē)室內行駛精確定位、室內人員和物體的實(shí)時(shí)追蹤定位、工業(yè)4.0 智慧工廠(chǎng)、無(wú)人值守展覽與售貨系統、現代倉儲物流、重要人員與設備管控、樓宇內智能導航、醫院智能導醫等領(lǐng)域^[1-5]。

藍牙室內定位系統是目前最成熟的室內定位系統，其成本低、功耗小、易于部署，定位精度可以接近分米數量級，特別適合于體積受到嚴格限制、使用小容量電池且需要長(cháng)時(shí)間不間斷工作的室內定位系統。藍牙通信頻段為（2.400~2.4835）GHz，藍牙室內定位系統天線(xiàn)需要覆蓋上述頻段并兼具較高的輻射強度和優(yōu)異的全向輻射特性^[6-11]。

1   生長(cháng)式分形結構簡(jiǎn)介

分形結構的自相似性使其內部射頻電流分布非常均勻，具有優(yōu)異的寬頻帶工作能力，在室內定位天線(xiàn)設計領(lǐng)域得到了較多的應用。但傳統的分形天線(xiàn)存在著(zhù)輻射邊距離較近，不同輻射邊產(chǎn)生的輻射互相耦合，難以保證不同輻射邊產(chǎn)生的輻射同相疊加的問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，我們創(chuàng )造性的對傳統分形的迭代過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，設計了生長(cháng)式分形結構，它的原型為多邊形雪花結構，以正方形結構為例，生長(cháng)式分形結構的迭代過(guò)程如圖1 所示。

原始結構是一個(gè)正方形，初次迭代時(shí)從正方形中心挖出一個(gè)各邊尺寸為正方形一半的小正方形孔，并在正方形各邊上都連接一個(gè)和小正方形孔尺寸一致的小正方形。初次迭代的結果是小正方形從原始正方形中心生長(cháng)到原始正方形的四邊。二次迭代時(shí)，每個(gè)小正方形中心挖出一個(gè)各邊尺寸為小正方形一半的微正方形孔，并在小正方形外側三條邊上都連接一個(gè)和微正方形孔尺寸一致的微正方形。多次迭代后，可以得到高階正方形生長(cháng)式分形結構。

生長(cháng)式分形結構用于天線(xiàn)設計時(shí)，每一次分裂生長(cháng)時(shí)新增的方形輻射貼片在上一級輻射貼片外，各級輻射貼片相互耦合、相互影響的程度較小。經(jīng)過(guò)調試可以實(shí)現多個(gè)不同輻射貼片的工作頻段同相疊加，使得生長(cháng)式分形天線(xiàn)具有較強的輻射性能和較大的工作帶寬。

圖2 天線(xiàn)輻射貼片結構示意圖

2   天線(xiàn)結構設計

天線(xiàn)整體尺寸為48 mm×54 mm×1 mm，使用FR4基板作為介質(zhì)基板，其相對介電常數為4.5。

天線(xiàn)輻射貼片的結構如圖3 所示。天線(xiàn)輻射貼片的初始元為六邊形（0 階六邊形），第一次迭代時(shí)在其中間挖出一個(gè)各邊邊長(cháng)為0 階六邊形一半的六邊形孔，并在0 階六邊形的六條邊上連接上六個(gè)各邊邊長(cháng)為0 階六邊形一半的六邊形（1 階六邊形）。第二次迭代時(shí)，每個(gè)1 階六邊形中分裂生長(cháng)出三個(gè)各邊邊長(cháng)為其一半的2階六邊形。

天線(xiàn)接地板為全金屬接地結構。

圖3 天線(xiàn)樣品照片

3   天線(xiàn)輻射性能測試

我們制作了天線(xiàn)樣品，照片如圖3 所示；對天線(xiàn)樣品的工作性能進(jìn)行了實(shí)測，結果如圖4 和圖5 所示。

實(shí)測結果表明，天線(xiàn)的工作頻段為（2.0~3.6）GHz，工作帶寬為1.6 GHz，天線(xiàn)的回波損耗值最小值為-25 dB；天線(xiàn)的H 面方向圖和E 面方向圖都具有全向輻射特性。

實(shí)測結果顯示，該天線(xiàn)能夠完全覆蓋藍牙工作頻段并兼具較高的輻射強度、較大的工作帶寬和優(yōu)異的全向輻射能力。

圖5 天線(xiàn)方向圖實(shí)測結果

4   結論

本文創(chuàng )造性的對傳統分形的迭代過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)，設計了全新的生長(cháng)式分形結構，并針對藍牙室內定位系統對天線(xiàn)的性能要求，使用六邊形結構作為初始元進(jìn)行2次生長(cháng)分形迭代，設計了一款用于藍牙室內定位的生長(cháng)式分形天線(xiàn)。我們制作出天線(xiàn)樣品，進(jìn)行了實(shí)際測試。實(shí)測表明，本款天線(xiàn)能夠完全覆蓋藍牙工作頻段，有較大性能冗余，全向輻射性能優(yōu)異，有望作為藍牙定位信標天線(xiàn)在高精度室內定位領(lǐng)域得到廣泛應用。

參考文獻：

[1] ZHENG Y X, LI Q H, WANG C H, et al. A Magnetic-Based Indoor Positioning Method on Fingerprint and Confidence Evaluation [J]. IEEE Sensors Journal, 2021, 21(5): 5932-5943.

[2] NABATI M, GHORASHI S A, SHAHBAZIAN R. Joint Coordinate Optimization in Fingerprint-Based Indoor Positioning [J]. IEEE Communications Letters, 2021, 25(4):1192-1195.

[3] JIA S, MA L, YANG S X, et al. Semantic and Context Based Image Retrieval Method Using a Single Image Sensor for Visual Indoor Positioning [J]. IEEE Sensors Journal, 2021, 21(16): 18020-18032.

[4] LI S, Rashidzadeh R. Hybrid Indoor Location Positioning System [J]. IET Wireless Sensor Systems, 2019, 9(5): 257-264.

[5] LIU X M, WANG W, Guo Z H, et al. Research on Adaptive SVR Indoor Location Based on GA Optimization [J]. Wireless Personal Communications, 2019, 109(2): 1095-1120.

[6] BOAROLI L, SPACEK A D, Izidoro C L, et al. Data Monitoring and Hardware Control for App Android by Bluetooth Communication for Laboratory Teaching in Electrical Engineering Courses [J]. IEEE Latin America Transactions, 2021, 15(1): 31-39.

[7] AZPILICUETA L, L?PEZ I P, Aguirre E, et al. Radio Channel Characterization for Bluetooth Communication Systems Onboard Commercial Aircrafts [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2021, 56(11): 2660-2664.

[8] KHAN T, RAHMAN M. Wearable Tri-Band Antenna for Switching Between WLAN and Bluetooth for Body Centric Wireless Communication [J]. Wireless Personal Communications, 2021, 117(2): 1459-1470.

[9] HATVANI D, MACKO D. Increasing Bluetooth Low Energy Communication Efficiency by Presetting Protocol Parameters [J]. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 2019, 27(5): 3486-3499.

[10] PERERA C, AGHAEE S, FARAGHER R, et al. Contextual Location in the Home Using Bluetooth Beacons [J]. IEEE Systems Journal, 2019, 13(3): 2720-2723.

[11] IWATA K, ONO A. Consideration of Location Estimation by RSSI Measurement of Bluetooth Beacon with Eddystone[J]. IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems, 2018, 138(10): 1183-1184.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）