單極子陣列與縫隙陣列復合室內(nèi)定位信標天線設計*

*本文研究工作得到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。

作者簡介：林斌（1984—），男，福建省三明市，碩士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為微波射頻器件設計、太赫茲波段器件設計。

何也（1998—），女，湖南省株洲市，碩士生，主要研究方向為微波射頻器件設計、太赫茲波段器件設計。

在高精度定位領(lǐng)域，室內(nèi)定位系統(tǒng)是一個最新的研究方向，已廣泛應用于無人值守商店、醫(yī)療、工廠、倉儲設備、危險品監(jiān)控等領(lǐng)域。室內(nèi)定位精度要求高，門店級的室內(nèi)定位要求達到米級的定位精度，而商品級的室內(nèi)定位要求達到厘米級的定位精度；室內(nèi)墻體和金屬物品較多，分布情況復雜，存在著較為明顯的多徑傳輸效應；室內(nèi)定位要求實時更新數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r容忍度較低；室內(nèi)定位設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，因此對低功耗的要求較為嚴格^[1-5]。

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

藍牙通信的頻段為（2.4~24.835）GHz [11-14]，超寬帶通信的頻段為（3.1~10.6）GHz ^[15-16]。藍牙和超寬帶融合室內(nèi)定位系統(tǒng)信標天線需要輻射性能和帶寬性能優(yōu)異，兼具全向天線和定向天線輻射能力，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，能夠同時在藍牙通信頻段和超寬帶通信頻段工作，兼具全向天線和定向天線輻射能力的室內(nèi)定位信標天線，國內(nèi)外目前均無報道。

1   直線八邊形單極子陣列簡介

直線八邊形單極子陣列如圖1 所示。直線八邊形單極子天線陣列是一種工作在超寬帶通信頻段的天線，它包含4 個結(jié)構(gòu)完全一致的八邊形單極子天線，每個八邊形單極子天線由饋線和13 個八邊形貼片組成。八邊形單極子天線工作在超寬帶通信頻段，13 個八邊形貼片以7 行3 列、每行1 個或3 個的方式交替排布，利用多個八邊形貼片的輻射疊加實現(xiàn)較高的輻射強度和較寬的工作帶寬。八邊形單極子天線具有極好的結(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，天線仍然能夠繼續(xù)工作。4 個八邊形單極子天線按照直線陣列排布方式排列組成直線八邊形單極子天線陣列，可以進一步加強天線輻射能力，同時利用方向圖乘積原理使天線在超寬帶通信頻段的輻射具有較好的方向性。

圖1 直線八邊形單極子陣列

2   縫隙陣列接地板簡介

縫隙陣列接地板如圖2 所示。縫隙陣列接地板是一種藍牙通信頻段的感應輻射結(jié)構(gòu)。天線接地板上開出四組鏡像結(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)偶極子天線的互補結(jié)構(gòu). 利用感應輻射原理，部分鏡像結(jié)構(gòu)吸收天線輻射貼片的輻射能量后，產(chǎn)生二次輻射，使天線能夠工作在藍牙通信頻段。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，增大天線在藍牙通信頻段的輻射強度。

圖2 縫隙陣列接地板

3   螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)簡介

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針折線螺旋的規(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，反射天線在超寬帶通信頻段的輻射能量使天線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)在藍牙通信頻段沒有頻率帶隙，因此天線在藍牙通信頻段的輻射不受影響，仍然是全向輻射。

圖3 天線輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖

4   天線結(jié)構(gòu)設計

天線使用的薄膜基質(zhì)為PET 薄膜基質(zhì)，其形狀為正方形，邊長是40 mm，厚度為0.5 mm，相對介電常數(shù)為16。天線輻射貼片位于PET 薄膜正面，如圖3 所示；天線接地板位于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。

天線輻射貼片由四個結(jié)構(gòu)完全一致的八邊形單極子天線按照直線陣列排布方式排列組成。八邊形單極子天線由饋線和13 個八邊形貼片組成；饋線長度為5.0 mm，寬度為1.0 mm；13 個八邊形貼片分7 行排列，第1 行、第3 行、第5 行、第7 行各有1 個八邊形貼片，第2行、第4 行、第6 行各有3 個八邊形貼片；每個八邊形貼片都是由一個邊長為2.0 mm 的方形貼片，切去4 個邊角上的直角邊長為0.5 mm 的等腰直角三角形得到。天線接地板是在一塊全導電接地板上開出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縫隙，每條折線縫隙由一段水平縫隙和一段垂直縫隙組成；水平縫隙長8.0 mm，垂直縫隙長5.0 mm，縫寬1.0 mm。天線輻射貼片的每個八邊形單極子天線的饋線最下方設有天線饋電點。

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)從右上角開始，按照逆時針折線螺旋規(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   天線輻射性能實際測試

我們實際測試了天線樣品的輻射性能。圖6是天線的回波損耗性能圖，天線工作頻帶為（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 是天線的藍牙通信頻段方向圖，天線在藍牙通信頻段具有良好的全向輻射特性。

圖8、圖9 分別是天線超寬帶通信頻段的E 面和H面方向圖。天線最大增益為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。

該天線兼具全向天線和定向天線輻射能力，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。

圖6 天線的回波損耗性能圖

圖7 天線的藍牙通信頻段方向圖

圖8 天線超寬帶通信頻段的E面方向圖

圖9 天線超寬帶通信頻段的H面方向圖

6   結(jié)束語

本文針對藍牙和超寬帶融合室內(nèi)定位系統(tǒng)對天線的性能要求，將直線八邊形單極子陣列、縫隙陣列接地板、螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設計了一款單極子陣列與縫隙陣列復合室內(nèi)定位信標天線。該天線在超寬帶通信頻段使用直線八邊形單極子天線陣列作為輻射結(jié)構(gòu)，多個八邊形輻射貼片的輻射疊加使天線具有優(yōu)異的輻射性能和帶寬性能。使用直線陣列排布方式組陣，增大了天線輻射強度并提高了天線在超寬帶通信頻段的輻射方向性；天線在藍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)偶極子縫隙的感應輻射疊加，使天線在藍牙通信頻段有較高的輻射強度和全向輻射能力；螺旋漸變光子晶體結(jié)構(gòu)使天線具有頻率選擇性定向能力，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。實際測試結(jié)果顯示，該款天線輻射性能和帶寬性能優(yōu)異，能夠同時工作在藍牙通信頻段和超寬帶通信頻段，兼具全向天線和定向天線輻射能力，在室內(nèi)定位領(lǐng)域有廣闊的應用前景。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）