林斌

摘要：本文針對高精度低功耗室內(nèi)定位系統(tǒng)對天線的性能要求，將倒F天線結(jié)構(gòu)、感應(yīng)輻射陣列結(jié)構(gòu)、漸變縫隙結(jié)構(gòu)、分形光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計制作了用于藍牙和超寬帶融合定位的天線陣列。這款天線在測試中具有藍牙和UWB雙頻段工作能力，輻射性能和帶寬性能優(yōu)異，兼具全向天線和定向輻射能力。使用本天線的室內(nèi)定位系統(tǒng)，在進行米級定位時使用藍牙頻段，在進行厘米級高精度定位時使用超寬帶頻段，同時使用藍牙頻段低功耗地實時傳輸定位數(shù)據(jù)，可以兼具藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)和超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：倒F天線結(jié)構(gòu);感應(yīng)輻射陣列結(jié)構(gòu);漸變縫隙結(jié)構(gòu);分形光子晶體結(jié)構(gòu);室內(nèi)定位天線

室內(nèi)定位系統(tǒng)是由多組定位信標(biāo)依靠室內(nèi)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(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)定位的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。藍牙和超寬帶（UWB）是目前最成熟的室內(nèi)定位頻段，他們各自有著自己的優(yōu)缺點。藍牙室內(nèi)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(nèi)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(nèi)復(fù)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(biāo)的供電系統(tǒng)造成較大壓力[1-5]。

將兩種室內(nèi)定位系統(tǒng)相結(jié)合，筆者團隊設(shè)計出藍牙和超寬帶融合室內(nèi)定位系統(tǒng)，使用超寬帶通信頻段進行定位信標(biāo)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(nèi)定位系統(tǒng)低成本、低功耗和超寬帶室內(nèi)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(biāo)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(nèi)定位信標(biāo)天線領(lǐng)域的空白，目前國內(nèi)已公開和已授權(quán)的所有定位信標(biāo)天線的專利，國內(nèi)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(biāo)天線均是本團隊成員的前期研究成果。

1??? 感應(yīng)輻射陣列結(jié)構(gòu)簡介

感應(yīng)輻射陣列由饋電貼片和感應(yīng)貼片組成。感應(yīng)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(yīng)輻射。當(dāng)饋電貼片和感應(yīng)貼片大小不一樣時，它們會在不同頻段產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡介

分形結(jié)構(gòu)具有迭代產(chǎn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光子帶隙能夠全部或部分阻礙電磁波的傳播，當(dāng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

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

天線輻射貼片整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在天線設(shè)計中使用了倒F天線結(jié)構(gòu)，它是一種變形單極子天線結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)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(yīng)倒F輻射貼片結(jié)構(gòu)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(yīng)倒F貼片位于四周，它們通過感應(yīng)輻射，工作在超寬帶通信6.400～6.600 GHz頻段。

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(jié)構(gòu)，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、3mm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(jié)構(gòu)和分形結(jié)構(gòu)相結(jié)合，得到分形光子晶體結(jié)構(gòu)，可以在超寬帶頻段反射8片感應(yīng)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。

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(jié)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。

5??? 結(jié)論

本文將倒F天線結(jié)構(gòu)、感應(yīng)輻射陣列結(jié)構(gòu)、漸變縫隙結(jié)構(gòu)、分形光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，應(yīng)用于室內(nèi)定位天線設(shè)計領(lǐng)域，成功地設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)輻射實現(xiàn)對超寬帶頻段的覆蓋;使用分形光子晶體結(jié)構(gòu)反射感應(yīng)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(nèi)定位領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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]Zhou N，Lau L，Bai R，et al. Novel Prior Position Determination Approaches in Particle Filter for Ultra Wideband （UWB）-Based Indoor Positioning [J]. Journal of the Institute of Navigation，2021，68（2）：277-292.

[5]Zhu X M，Yi J J，Cheng J Y，et al. Adapted Error Map Based Mobile Robot UWB Indoor Positioning [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2021，69（9）：6336-6350.

[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，Lopez 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]Dwairi M O，Soliman M S，Alahmadi A A，et al. Design and Performance Analysis of Fractal Regular Slotted-Patch Antennas for Ultra-Wideband Communication Systems [J]. Wireless Personal Communications，2019，105（3）：819-833.

[11]Karan Y，Kahveci S. QPSK-Dual Carrier Modulation for Ultra-Wideband Communication in Body Area Network Channels [J]. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences，2019，27（4）：2526-2540.

[12]Lin X Z，Wang X，Lin C X，et al. Location Information Collection and Optimization for Agricultural Vehicle Based on UWB [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2018，49（10）：23-29.