用于蓝牙和超宽带融合定位的倒F阵列天线设计*

*本文研究工作得到福建省自然科学基金项目“基于无人机的三维室内地图构建方法研究”（项目编号：2020J01039）、漳州市科技计划项目“基于云计算的无人机3D室内地图构建技术研究”（项目编号：ZZ2020J04）、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。

室内定位系统是由多组定位信标依靠室内无线通信连接而成的新型高精度定位系统。近年来，随着物联网技术和大数据技术的发展，室内定位的应用领域日益广泛。蓝牙和超宽带（UWB）是目前最成熟的室内定位频段，他们各自有着自己的优缺点。蓝牙室内定位系统成本低、功耗小、易于部署，但是有较大的传输延时，定位实时性不够好，定位精度只能达到米级。超宽带室内定位系统探测距离远、传输速率高、定位实时性好，具有较高的多径分辨率，可以穿透各种材料，包括墙、木板、玻璃等，在室内复杂环境下可以实现厘米级的定位精度，但是功耗较大，单独使用会对定位信标的供电系统造成较大压力^[1-5]。

将两种室内定位系统相结合，笔者团队设计出蓝牙和超宽带融合室内定位系统，使用超宽带通信频段进行定位信标探测，使用蓝牙通信频段进行定位数据传输，可以兼具蓝牙室内定位系统低成本、低功耗和超宽带室内定位系统探测距离远、传输速率高、定位实时性好、定位精度高的优点。该系统信标天线需要能够兼容蓝牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz 频段[6-9] 和超宽带通信6.400 ～ 6.600 GHz 频段^[10-12]，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。

本团队的研究填补了国内定位信标天线领域的空白，目前国内已公开和已授权的所有定位信标天线的专利，国内外已报道的所有兼具蓝牙和超宽带频段覆盖能力、兼具全向和定向辐射能力的定位信标天线均是本团队成员的前期研究成果。

1   感应辐射阵列结构简介

感应辐射阵列由馈电贴片和感应贴片组成。感应贴片本身不馈电，它们吸收馈电贴片的部分辐射能量后，产生感应辐射。当馈电贴片和感应贴片大小不一样时，它们会在不同频段产生辐射，并通过辐射同相叠加实现双频和多频工作。

2   分形光子晶体结构简介

分形结构具有迭代产生的自相似性，可以使天线辐射贴片拥有均匀分布的射频电流，保证天线具有较好的宽频带辐射能力。光子晶体结构产生的光子带隙能够全部或部分阻碍电磁波的传播，当光子带隙频率与天线的工作中心频率一致时，将部分阻止天线在原工作中心频率向某个方向的能量辐射，使天线在该频率具有较好的定向辐射能力。

3   天线结构设计

天线整体尺寸为27 mm×27 mm×1 mm，使用FR4基板作为介质基板。

天线辐射贴片整体结构如图1 所示。在天线设计中使用了倒F 天线结构，它是一种变形单极子天线结构，具有结构简单、易于集成、工作带宽大、辐射强度大等优点。馈电倒F 辐射贴片由三段微带线组成，线宽均为1 mm，横向微带线长度为7 mm，两段纵向微带线长度分别为5 mm 和6 mm。8 片感应倒F 辐射贴片结构一致，均由三段微带线组成，线宽均为0.5 mm，横向微带线长度为3.5 mm，两段纵向微带线长度分别为1.5 mm 和3 mm。馈电倒F 贴片位于中央，工作在蓝牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz 频段，8 片感应倒F 贴片位于四周，它们通过感应辐射，工作在超宽带通信6.400 ～ 6.600 GHz 频段。

图1 天线辐射贴片结构示意图

天线的接地板划分为9 个3 mm×3 mm的方形区域，中心的方形区域是2 阶谢尔宾斯基分形结构，四周的8个方形区域按照顺时针顺序分别在区域中心挖出边长为1 mm、3 mm、5 mm、3 mm、1 mm、3 mm、5 mm、3 mm 的渐变方形孔。这种由渐变方形孔周期排列组成的光子晶体结构和分形结构相结合，得到分形光子晶体结构，可以在超宽带频段反射8 片感应倒F 辐射贴片向接地板方向的辐射，使天线整体在超宽带频段具有定向辐射能力。

图2 分形光子晶体结构示意图

4   天线辐射性能测试

我们制作了天线样品，并对其辐射性能和方向图性能进行了实际测试，结果如图3、图4、图5、图6 所示。天线低频段工作频率范围为2.076 ～ 2.751 GHz，工作带宽为0.675 GHz，回波损耗最小值为-28.03 dB；高频段工作频率范围为6.232 ～ 6.804 GHz，工作带宽为0.572 GHz，回波损耗最小值为-25.84 dB。天线完全覆盖了蓝牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz 频段和超宽带通信6.400 ～ 6.600 GHz 频段，在两个频段的辐射性能较为均衡且有较大性能冗余。

天线在蓝牙频段的方向图电面和磁面都覆盖了所有辐射角度，具有优异的全向辐射能力。

天线在超宽带频段的方向图电面主瓣比副瓣的辐射强度高8.5 dB，主瓣比后瓣的辐射强度高6.1 dB；方向图磁面主瓣比副瓣的辐射强度高7.1 dB，主瓣比后瓣的辐射强度高5.7 dB；天线在超宽带频段具有较好的定向辐射能力。

图3 天线辐射性能实测结果

图4 天线蓝牙频段方向图

图5 天线超宽带频段E面方向图

图6 天线超宽带频段H面方向图

5   结论

本文将倒F 天线结构、感应辐射阵列结构、渐变缝隙结构、分形光子晶体结构相结合，应用于室内定位天线设计领域，成功地设计制作了一款用于蓝牙和超宽带融合定位的倒F 阵列天线。

在设计中，使用馈电倒F 辐射贴片实现对蓝牙频段的覆盖；使用感应倒F 辐射贴片吸收馈电倒F 辐射贴片的部分辐射能量，并产生二次感应辐射实现对超宽带频段的覆盖；使用分形光子晶体结构反射感应倒F 辐射贴片向接地板方向的辐射，实现天线在超宽带频段定向辐射。该款天线能够完全覆盖蓝牙通信2.400 ～ 2.4835 GHz频段和超宽带通信6.400 ～ 6.600 GHz 频段，兼具全向辐射能力和定向辐射能力，在高精度低功耗室内定位领域有很好的应用前景。

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年3月期）