單極子陣列與縫隙陣列復(fù)合室內(nèi)定位信標(biāo)天線(xiàn)設(shè)計(jì)*

*本文研究工作得到福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃項(xiàng)目（閩教科[2017]52號(hào)）的資助。

作者簡(jiǎn)介：林斌（1984—），男，福建省三明市，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l器件設(shè)計(jì)、太赫茲波段器件設(shè)計(jì)。

何也（1998—），女，湖南省株洲市，碩士生，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l器件設(shè)計(jì)、太赫茲波段器件設(shè)計(jì)。

在高精度定位領(lǐng)域，室內(nèi)定位系統(tǒng)是一個(gè)最新的研究方向，已廣泛應(yīng)用于無(wú)人值守商店、醫(yī)療、工廠、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、危險(xiǎn)品監(jiān)控等領(lǐng)域。室內(nèi)定位精度要求高，門(mén)店級(jí)的室內(nèi)定位要求達(dá)到米級(jí)的定位精度，而商品級(jí)的室內(nèi)定位要求達(dá)到厘米級(jí)的定位精度；室內(nèi)墻體和金屬物品較多，分布情況復(fù)雜，存在著較為明顯的多徑傳輸效應(yīng)；室內(nèi)定位要求實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)容忍度較低；室內(nèi)定位設(shè)備大多為小型電池供電且布置在墻角、屋頂?shù)雀咛?，更換電池不便，因此對(duì)低功耗的要求較為嚴(yán)格^[1-5]。

目前在室內(nèi)定位中效果最好的技術(shù)是藍(lán)牙和超寬帶。藍(lán)牙定位系統(tǒng)價(jià)格低、耗能少，但定位精度只能達(dá)到米級(jí)，傳輸延時(shí)較大，多徑分辨率較低^[6-8]。超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度定位，傳輸延時(shí)可以忽略不計(jì)，多徑分辨率很高，缺點(diǎn)是功耗較大，單獨(dú)使用時(shí)需要頻繁更換電池，系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)難度很大^[9-10]。將上述兩種室內(nèi)定位系統(tǒng)相結(jié)合，在進(jìn)行米級(jí)定位時(shí)使用藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)，在進(jìn)行厘米級(jí)高精度定位時(shí)使用超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)，同時(shí)使用藍(lán)牙通信頻段低功耗實(shí)時(shí)傳輸定位數(shù)據(jù)，可以得到兼具二者優(yōu)點(diǎn)的藍(lán)牙和超寬帶融合室內(nèi)定位系統(tǒng)。

藍(lán)牙通信的頻段為（2.4~24.835）GHz [11-14]，超寬帶通信的頻段為（3.1~10.6）GHz ^[15-16]。藍(lán)牙和超寬帶融合室內(nèi)定位系統(tǒng)信標(biāo)天線(xiàn)需要輻射性能和帶寬性能優(yōu)異，兼具全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)輻射能力，在藍(lán)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且波瓣寬度較小、副瓣電平較低、前后比較高。除了本課題組前期研究成果，能夠同時(shí)在藍(lán)牙通信頻段和超寬帶通信頻段工作，兼具全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)輻射能力的室內(nèi)定位信標(biāo)天線(xiàn)，國(guó)內(nèi)外目前均無(wú)報(bào)道。

1   直線(xiàn)八邊形單極子陣列簡(jiǎn)介

直線(xiàn)八邊形單極子陣列如圖1 所示。直線(xiàn)八邊形單極子天線(xiàn)陣列是一種工作在超寬帶通信頻段的天線(xiàn)，它包含4 個(gè)結(jié)構(gòu)完全一致的八邊形單極子天線(xiàn)，每個(gè)八邊形單極子天線(xiàn)由饋線(xiàn)和13 個(gè)八邊形貼片組成。八邊形單極子天線(xiàn)工作在超寬帶通信頻段，13 個(gè)八邊形貼片以7 行3 列、每行1 個(gè)或3 個(gè)的方式交替排布，利用多個(gè)八邊形貼片的輻射疊加實(shí)現(xiàn)較高的輻射強(qiáng)度和較寬的工作帶寬。八邊形單極子天線(xiàn)具有極好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗外力破壞能力，即使從高處墜落或遭受外力打擊，部分八邊形貼片損壞，天線(xiàn)仍然能夠繼續(xù)工作。4 個(gè)八邊形單極子天線(xiàn)按照直線(xiàn)陣列排布方式排列組成直線(xiàn)八邊形單極子天線(xiàn)陣列，可以進(jìn)一步加強(qiáng)天線(xiàn)輻射能力，同時(shí)利用方向圖乘積原理使天線(xiàn)在超寬帶通信頻段的輻射具有較好的方向性。

圖1 直線(xiàn)八邊形單極子陣列

2   縫隙陣列接地板簡(jiǎn)介

縫隙陣列接地板如圖2 所示。縫隙陣列接地板是一種藍(lán)牙通信頻段的感應(yīng)輻射結(jié)構(gòu)。天線(xiàn)接地板上開(kāi)出四組鏡像結(jié)構(gòu)偶極子縫隙，每組鏡像結(jié)構(gòu)偶極子縫隙都是鏡像結(jié)構(gòu)偶極子天線(xiàn)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu). 利用感應(yīng)輻射原理，部分鏡像結(jié)構(gòu)吸收天線(xiàn)輻射貼片的輻射能量后，產(chǎn)生二次輻射，使天線(xiàn)能夠工作在藍(lán)牙通信頻段。四組鏡像結(jié)構(gòu)偶極子縫隙按照方形陣列排布方式排列組成縫隙陣列，可以在保持全向輻射能力的同時(shí)，增大天線(xiàn)在藍(lán)牙通信頻段的輻射強(qiáng)度。

圖2 縫隙陣列接地板

3   螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)中的44 片介電常數(shù)逐漸增加的方形陶瓷貼片按照逆時(shí)針折線(xiàn)螺旋的規(guī)律排布。方形陶瓷貼片有規(guī)律地分布在PET 薄膜基質(zhì)中，可以在超寬帶通信頻段形成頻率帶隙，反射天線(xiàn)在超寬帶通信頻段的輻射能量使天線(xiàn)在超寬帶通信頻段能夠向輻射貼片一側(cè)定向輻射。螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)在藍(lán)牙通信頻段沒(méi)有頻率帶隙，因此天線(xiàn)在藍(lán)牙通信頻段的輻射不受影響，仍然是全向輻射。

圖3 天線(xiàn)輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖

4   天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)使用的薄膜基質(zhì)為PET 薄膜基質(zhì)，其形狀為正方形，邊長(zhǎng)是40 mm，厚度為0.5 mm，相對(duì)介電常數(shù)為16。天線(xiàn)輻射貼片位于PET 薄膜正面，如圖3 所示；天線(xiàn)接地板位于PET 薄膜背面，如圖4 所示；螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)位于PET 薄膜下方，如圖5 所示。

天線(xiàn)輻射貼片由四個(gè)結(jié)構(gòu)完全一致的八邊形單極子天線(xiàn)按照直線(xiàn)陣列排布方式排列組成。八邊形單極子天線(xiàn)由饋線(xiàn)和13 個(gè)八邊形貼片組成；饋線(xiàn)長(zhǎng)度為5.0 mm，寬度為1.0 mm；13 個(gè)八邊形貼片分7 行排列，第1 行、第3 行、第5 行、第7 行各有1 個(gè)八邊形貼片，第2行、第4 行、第6 行各有3 個(gè)八邊形貼片；每個(gè)八邊形貼片都是由一個(gè)邊長(zhǎng)為2.0 mm 的方形貼片，切去4 個(gè)邊角上的直角邊長(zhǎng)為0.5 mm 的等腰直角三角形得到。天線(xiàn)接地板是在一塊全導(dǎo)電接地板上開(kāi)出4 組鏡像結(jié)構(gòu)偶極子縫隙組成的縫隙陣列板；每組鏡像結(jié)構(gòu)偶極子縫隙包括四條尺寸形狀完全一樣的折線(xiàn)縫隙，每條折線(xiàn)縫隙由一段水平縫隙和一段垂直縫隙組成；水平縫隙長(zhǎng)8.0 mm，垂直縫隙長(zhǎng)5.0 mm，縫寬1.0 mm。天線(xiàn)輻射貼片的每個(gè)八邊形單極子天線(xiàn)的饋線(xiàn)最下方設(shè)有天線(xiàn)饋電點(diǎn)。

螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)由44 片介電常數(shù)漸變的方形陶瓷貼片組成，每片方形陶瓷貼片的邊長(zhǎng)為1.0 mm。螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)中的方形陶瓷貼片的介電常數(shù)從右上角開(kāi)始，按照逆時(shí)針折線(xiàn)螺旋規(guī)律逐漸增加，相鄰方形陶瓷貼片的介電常數(shù)差值為1，第一片方形陶瓷貼片的介電常數(shù)為10，最后一片方形陶瓷貼片的介電常數(shù)為53。

圖4 天線(xiàn)接地板結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

5   天線(xiàn)輻射性能實(shí)際測(cè)試

我們實(shí)際測(cè)試了天線(xiàn)樣品的輻射性能。圖6是天線(xiàn)的回波損耗性能圖，天線(xiàn)工作頻帶為（1.142~11.236） GHz，帶寬為10.094 GHz，帶寬倍頻程為9.839，回波損耗最小值為-49.61 dB。圖7 是天線(xiàn)的藍(lán)牙通信頻段方向圖，天線(xiàn)在藍(lán)牙通信頻段具有良好的全向輻射特性。

圖8、圖9 分別是天線(xiàn)超寬帶通信頻段的E 面和H面方向圖。天線(xiàn)最大增益為15.89 dB，E 面主瓣寬度為90°，副瓣電平為-12.94 dB，前后比為11.05 dB；H面主瓣寬度為82°，副瓣電平為－ 11.43 dB，前后比為10.17 dB。

該天線(xiàn)兼具全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)輻射能力，在藍(lán)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。

圖6 天線(xiàn)的回波損耗性能圖

圖7 天線(xiàn)的藍(lán)牙通信頻段方向圖

圖8 天線(xiàn)超寬帶通信頻段的E面方向圖

圖9 天線(xiàn)超寬帶通信頻段的H面方向圖

6   結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)藍(lán)牙和超寬帶融合室內(nèi)定位系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)的性能要求，將直線(xiàn)八邊形單極子陣列、縫隙陣列接地板、螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款單極子陣列與縫隙陣列復(fù)合室內(nèi)定位信標(biāo)天線(xiàn)。該天線(xiàn)在超寬帶通信頻段使用直線(xiàn)八邊形單極子天線(xiàn)陣列作為輻射結(jié)構(gòu)，多個(gè)八邊形輻射貼片的輻射疊加使天線(xiàn)具有優(yōu)異的輻射性能和帶寬性能。使用直線(xiàn)陣列排布方式組陣，增大了天線(xiàn)輻射強(qiáng)度并提高了天線(xiàn)在超寬帶通信頻段的輻射方向性；天線(xiàn)在藍(lán)牙通信頻段使用縫隙陣列接地板作為輻射結(jié)構(gòu)，四組按照方形陣列排布方式組陣的鏡像結(jié)構(gòu)偶極子縫隙的感應(yīng)輻射疊加，使天線(xiàn)在藍(lán)牙通信頻段有較高的輻射強(qiáng)度和全向輻射能力；螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)使天線(xiàn)具有頻率選擇性定向能力，在藍(lán)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。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，該款天線(xiàn)輻射性能和帶寬性能優(yōu)異，能夠同時(shí)工作在藍(lán)牙通信頻段和超寬帶通信頻段，兼具全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)輻射能力，在室內(nèi)定位領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）