用于藍牙和超寬帶融合定位的倒F陣列天線設計*

*本文研究工作得到福建省自然科學基金項目“基于無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“基于云計算的無人機3D室內地圖構建技術研究”（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(tǒng)是由多組定位信標依靠室內無線通信連接而成的新型高精度定位系統(tǒng)。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，室內定位的應用領域日益廣泛。藍牙和超寬帶（UWB）是目前最成熟的室內定位頻段，他們各自有著自己的優(yōu)缺點。藍牙室內定位系統(tǒng)成本低、功耗小、易于部署，但是有較大的傳輸延時，定位實時性不夠好，定位精度只能達到米級。超寬帶室內定位系統(tǒng)探測距離遠、傳輸速率高、定位實時性好，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)境下可以實現(xiàn)厘米級的定位精度，但是功耗較大，單獨使用會對定位信標的供電系統(tǒng)造成較大壓力^[1-5]。

將兩種室內定位系統(tǒng)相結合，筆者團隊設計出藍牙和超寬帶融合室內定位系統(tǒng)，使用超寬帶通信頻段進行定位信標探測，使用藍牙通信頻段進行定位數(shù)據(jù)傳輸，可以兼具藍牙室內定位系統(tǒng)低成本、低功耗和超寬帶室內定位系統(tǒng)探測距離遠、傳輸速率高、定位實時性好、定位精度高的優(yōu)點。該系統(tǒng)信標天線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領域的空白，目前國內已公開和已授權的所有定位信標天線的專利，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均是本團隊成員的前期研究成果。

1   感應輻射陣列結構簡介

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，產生感應輻射。當饋電貼片和感應貼片大小不一樣時，它們會在不同頻段產生輻射，并通過輻射同相疊加實現(xiàn)雙頻和多頻工作。

2   分形光子晶體結構簡介

分形結構具有迭代產生的自相似性，可以使天線輻射貼片擁有均勻分布的射頻電流，保證天線具有較好的寬頻帶輻射能力。光子晶體結構產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的工作中心頻率一致時，將部分阻止天線在原工作中心頻率向某個方向的能量輻射，使天線在該頻率具有較好的定向輻射能力。

3   天線結構設計

天線整體尺寸為27 mm×27 mm×1 mm，使用FR4基板作為介質基板。

天線輻射貼片整體結構如圖1 所示。在天線設計中使用了倒F 天線結構，它是一種變形單極子天線結構，具有結構簡單、易于集成、工作帶寬大、輻射強度大等優(yōu)點。饋電倒F 輻射貼片由三段微帶線組成，線寬均為1 mm，橫向微帶線長度為7 mm，兩段縱向微帶線長度分別為5 mm 和6 mm。8 片感應倒F 輻射貼片結構一致，均由三段微帶線組成，線寬均為0.5 mm，橫向微帶線長度為3.5 mm，兩段縱向微帶線長度分別為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，它們通過感應輻射，工作在超寬帶通信6.400 ～ 6.600 GHz 頻段。

圖1 天線輻射貼片結構示意圖

天線的接地板劃分為9 個3 mm×3 mm的方形區(qū)域，中心的方形區(qū)域是2 階謝爾賓斯基分形結構，四周的8個方形區(qū)域按照順時針順序分別在區(qū)域中心挖出邊長為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   天線輻射性能測試

我們制作了天線樣品，并對其輻射性能和方向圖性能進行了實際測試，結果如圖3、圖4、圖5、圖6 所示。天線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，在兩個頻段的輻射性能較為均衡且有較大性能冗余。

天線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；天線在超寬帶頻段具有較好的定向輻射能力。

圖3 天線輻射性能實測結果

圖4 天線藍牙頻段方向圖

圖5 天線超寬帶頻段E面方向圖

圖6 天線超寬帶頻段H面方向圖

5   結論

本文將倒F 天線結構、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設計領域，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。

在設計中，使用饋電倒F 輻射貼片實現(xiàn)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，并產生二次感應輻射實現(xiàn)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，實現(xiàn)天線在超寬帶頻段定向輻射。該款天線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域有很好的應用前景。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年3月期）