单极子阵列与缝隙阵列复合室内定位信标天线设计*

*本文研究工作得到福建省高校杰出青年科研人才培育计划项目（闽教科[2017]52号）的资助。

作者简介：林斌（1984—），男，福建省三明市，硕士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为微波射频器件设计、太赫兹波段器件设计。

何也（1998—），女，湖南省株洲市，硕士生，主要研究方向为微波射频器件设计、太赫兹波段器件设计。

在高精度定位领域，室内定位系统是一个最新的研究方向，已广泛应用于无人值守商店、医疗、工厂、仓储设备、危险品监控等领域。室内定位精度要求高，门店级的室内定位要求达到米级的定位精度，而商品级的室内定位要求达到厘米级的定位精度；室内墙体和金属物品较多，分布情况复杂，存在着较为明显的多径传输效应；室内定位要求实时更新数据，对数据传输的延时容忍度较低；室内定位设备大多为小型电池供电且布置在墙角、屋顶等高处，更换电池不便，因此对低功耗的要求较为严格^[1-5]。

目前在室内定位中效果最好的技术是蓝牙和超宽带。蓝牙定位系统价格低、耗能少，但定位精度只能达到米级，传输延时较大，多径分辨率较低^[6-8]。超宽带室内定位系统的优点是可以实现厘米级的高精度定位，传输延时可以忽略不计，多径分辨率很高，缺点是功耗较大，单独使用时需要频繁更换电池，系统维护保养难度很大^[9-10]。将上述两种室内定位系统相结合，在进行米级定位时使用蓝牙室内定位系统，在进行厘米级高精度定位时使用超宽带室内定位系统，同时使用蓝牙通信频段低功耗实时传输定位数据，可以得到兼具二者优点的蓝牙和超宽带融合室内定位系统。

蓝牙通信的频段为（2.4~24.835）GHz [11-14]，超宽带通信的频段为（3.1~10.6）GHz ^[15-16]。蓝牙和超宽带融合室内定位系统信标天线需要辐射性能和带宽性能优异，兼具全向天线和定向天线辐射能力，在蓝牙通信频段能够全向辐射，在超宽带通信频段能够定向辐射且波瓣宽度较小、副瓣电平较低、前后比较高。除了本课题组前期研究成果，能够同时在蓝牙通信频段和超宽带通信频段工作，兼具全向天线和定向天线辐射能力的室内定位信标天线，国内外目前均无报道。

1   直线八边形单极子阵列简介

直线八边形单极子阵列如图1 所示。直线八边形单极子天线阵列是一种工作在超宽带通信频段的天线，它包含4 个结构完全一致的八边形单极子天线，每个八边形单极子天线由馈线和13 个八边形贴片组成。八边形单极子天线工作在超宽带通信频段，13 个八边形贴片以7 行3 列、每行1 个或3 个的方式交替排布，利用多个八边形贴片的辐射叠加实现较高的辐射强度和较宽的工作带宽。八边形单极子天线具有极好的结构稳定性和抗外力破坏能力，即使从高处坠落或遭受外力打击，部分八边形贴片损坏，天线仍然能够继续工作。4 个八边形单极子天线按照直线阵列排布方式排列组成直线八边形单极子天线阵列，可以进一步加强天线辐射能力，同时利用方向图乘积原理使天线在超宽带通信频段的辐射具有较好的方向性。

图1 直线八边形单极子阵列

2   缝隙阵列接地板简介

缝隙阵列接地板如图2 所示。缝隙阵列接地板是一种蓝牙通信频段的感应辐射结构。天线接地板上开出四组镜像结构偶极子缝隙，每组镜像结构偶极子缝隙都是镜像结构偶极子天线的互补结构. 利用感应辐射原理，部分镜像结构吸收天线辐射贴片的辐射能量后，产生二次辐射，使天线能够工作在蓝牙通信频段。四组镜像结构偶极子缝隙按照方形阵列排布方式排列组成缝隙阵列，可以在保持全向辐射能力的同时，增大天线在蓝牙通信频段的辐射强度。

图2 缝隙阵列接地板

3   螺旋渐变光子晶体结构简介

螺旋渐变光子晶体结构中的44 片介电常数逐渐增加的方形陶瓷贴片按照逆时针折线螺旋的规律排布。方形陶瓷贴片有规律地分布在PET 薄膜基质中，可以在超宽带通信频段形成频率带隙，反射天线在超宽带通信频段的辐射能量使天线在超宽带通信频段能够向辐射贴片一侧定向辐射。螺旋渐变光子晶体结构在蓝牙通信频段没有频率带隙，因此天线在蓝牙通信频段的辐射不受影响，仍然是全向辐射。

图3 天线辐射贴片结构示意图

4   天线结构设计

天线使用的薄膜基质为PET 薄膜基质，其形状为正方形，边长是40 mm，厚度为0.5 mm，相对介电常数为16。天线辐射贴片位于PET 薄膜正面，如图3 所示；天线接地板位于PET 薄膜背面，如图4 所示；螺旋渐变光子晶体结构位于PET 薄膜下方，如图5 所示。

天线辐射贴片由四个结构完全一致的八边形单极子天线按照直线阵列排布方式排列组成。八边形单极子天线由馈线和13 个八边形贴片组成；馈线长度为5.0 mm，宽度为1.0 mm；13 个八边形贴片分7 行排列，第1 行、第3 行、第5 行、第7 行各有1 个八边形贴片，第2行、第4 行、第6 行各有3 个八边形贴片；每个八边形贴片都是由一个边长为2.0 mm 的方形贴片，切去4 个边角上的直角边长为0.5 mm 的等腰直角三角形得到。天线接地板是在一块全导电接地板上开出4 组镜像结构偶极子缝隙组成的缝隙阵列板；每组镜像结构偶极子缝隙包括四条尺寸形状完全一样的折线缝隙，每条折线缝隙由一段水平缝隙和一段垂直缝隙组成；水平缝隙长8.0 mm，垂直缝隙长5.0 mm，缝宽1.0 mm。天线辐射贴片的每个八边形单极子天线的馈线最下方设有天线馈电点。

螺旋渐变光子晶体结构由44 片介电常数渐变的方形陶瓷贴片组成，每片方形陶瓷贴片的边长为1.0 mm。螺旋渐变光子晶体结构中的方形陶瓷贴片的介电常数从右上角开始，按照逆时针折线螺旋规律逐渐增加，相邻方形陶瓷贴片的介电常数差值为1，第一片方形陶瓷贴片的介电常数为10，最后一片方形陶瓷贴片的介电常数为53。

图4 天线接地板结构示意图

图5 螺旋渐变光子晶体结构示意图

5   天线辐射性能实际测试

我们实际测试了天线样品的辐射性能。图6是天线的回波损耗性能图，天线工作频带为（1.142~11.236） GHz，带宽为10.094 GHz，带宽倍频程为9.839，回波损耗最小值为-49.61 dB。图7 是天线的蓝牙通信频段方向图，天线在蓝牙通信频段具有良好的全向辐射特性。

图8、图9 分别是天线超宽带通信频段的E 面和H面方向图。天线最大增益为15.89 dB，E 面主瓣宽度为90°，副瓣电平为-12.94 dB，前后比为11.05 dB；H面主瓣宽度为82°，副瓣电平为－ 11.43 dB，前后比为10.17 dB。

该天线兼具全向天线和定向天线辐射能力，在蓝牙通信频段能够全向辐射，在超宽带通信频段能够定向辐射。

图6 天线的回波损耗性能图

图7 天线的蓝牙通信频段方向图

图8 天线超宽带通信频段的E面方向图

图9 天线超宽带通信频段的H面方向图

6   结束语

本文针对蓝牙和超宽带融合室内定位系统对天线的性能要求，将直线八边形单极子阵列、缝隙阵列接地板、螺旋渐变光子晶体结构相结合，设计了一款单极子阵列与缝隙阵列复合室内定位信标天线。该天线在超宽带通信频段使用直线八边形单极子天线阵列作为辐射结构，多个八边形辐射贴片的辐射叠加使天线具有优异的辐射性能和带宽性能。使用直线阵列排布方式组阵，增大了天线辐射强度并提高了天线在超宽带通信频段的辐射方向性；天线在蓝牙通信频段使用缝隙阵列接地板作为辐射结构，四组按照方形阵列排布方式组阵的镜像结构偶极子缝隙的感应辐射叠加，使天线在蓝牙通信频段有较高的辐射强度和全向辐射能力；螺旋渐变光子晶体结构使天线具有频率选择性定向能力，在蓝牙通信频段能够全向辐射，在超宽带通信频段能够定向辐射。实际测试结果显示，该款天线辐射性能和带宽性能优异，能够同时工作在蓝牙通信频段和超宽带通信频段，兼具全向天线和定向天线辐射能力，在室内定位领域有广阔的应用前景。

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期）