用于藍牙和超寬帶融合定位的倒F陣列天線設(shè)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(nèi)地圖構(gòu)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(nèi)地圖構(gòu)建技術(shù)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(nèi)定位系統(tǒng)是由多組定位信標依靠室內(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(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。

圖1 天線輻射貼片結(jié)構(gòu)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(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、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(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。

圖2 分形光子晶體結(jié)構(gòu)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(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。

圖3 天線輻射性能實測結(jié)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(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, L?pez 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.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）