分形單極子陣列UWB定位信標天線設(shè)計*

　　林 斌（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363105）

　　摘 要：本文針對UWB室內(nèi)定位技術(shù)對定位信標天線的性能要求，將微帶單極子天線與切角分形結(jié)構(gòu)相結(jié)合作為陣元天線，使用直線陣列排布方式組陣，使用漸變反射板進一步提高了天線輻射的方向性，成功設(shè)計了一款分形單極子陣列UWB定位信標天線。實際測試的結(jié)果表明，該款天線能夠超寬帶工作并穩(wěn)定輻射，能夠完全覆蓋UWB通信頻段，輻射方向性較好，能夠與定位信標共形。

　　關(guān)鍵詞：天線；UWB；定位信標；分形單極子；直線陣列天線；漸變反射板

　　室內(nèi)定位技術(shù)是一種樓宇室內(nèi)環(huán)境下的高精度定位技術(shù)，依靠無線通信和定位信標可實現(xiàn)對室內(nèi)人員和物體的實時追蹤定位，在工業(yè)4.0/智慧工廠、無人值守展覽與售貨系統(tǒng)、現(xiàn)代倉儲物流、重要人員與設(shè)備管控、樓宇內(nèi)智能導(dǎo)航、醫(yī)院智能導(dǎo)醫(yī)等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用^[1-2]。

　　超寬帶（UWB）定位技術(shù)有著優(yōu)異的定位準確性，能夠有效穿透室內(nèi)外的墻體，能夠避免多徑傳輸對定位精度的影響，在室內(nèi)環(huán)境下可以實現(xiàn)物品級別的定位精度和毫米級別的準確測距。2019年9月，美國蘋果公司發(fā)布的iPhone11手機已集成超寬帶芯片，超寬帶定位技術(shù)已成為室內(nèi)定位領(lǐng)域的主流技術(shù)。

　　超寬帶通信的頻段為（3.1～10.6）GHz，超寬帶定位信標天線需要能夠超寬帶工作并穩(wěn)定輻射，能夠完全覆蓋超寬帶通信頻段，輻射方向性較好，電面方向圖和磁面方向圖都具有較小的波瓣寬度，較好的副瓣和后瓣抑制，天線尺寸較小，能夠與定位信標共形^[3-4]。

　　1 切角分形結(jié)構(gòu)和微帶單極子天線簡介

　　切角分形結(jié)構(gòu)是一種全新的面式分形結(jié)構(gòu)，它的迭代過程如圖1所示。切角分形結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)是正四邊形，將其劃分為4行4列共16個小正四邊形，將位于邊角的4個小正四邊形沿著對角線切割掉一半，剩下4個直角三角形和12個小正四邊形，可以得到1階切角分形結(jié)構(gòu)。對1階切角分形結(jié)構(gòu)內(nèi)部的12個小正四邊形做切角處理，可以得到2階切角分形結(jié)構(gòu)。依次迭代，可以得到高階切角分形結(jié)構(gòu)。切角分形結(jié)構(gòu)在迭代生成的過程中，邊沿和內(nèi)部不斷形成具有自相似性的縫隙結(jié)構(gòu)，用于天線設(shè)計時，自相似性保證了天線內(nèi)部具有均勻分布的射頻電流，這些縫隙產(chǎn)生的輻射也會疊加，保證天線具有寬頻帶輻射工作能力^[5-6]。

　　微帶單極子天線具有良好的方向性，但工作帶寬較小，將微帶單極子天線與切角分形結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將微帶單極子天線的主要輻射區(qū)設(shè)計為切角分形結(jié)構(gòu)，可以將二者的優(yōu)勢相結(jié)合，得到兼具超寬帶工作能力和較強方向性的分形單極子輻射貼片。多個分形單極子輻射貼片按照直線陣列排布方式組成分形單極子輻射貼片陣列，可以利用方向圖乘積原理進一步提高天線輻射強度，并加強天線的方向性。

　　2 漸變反射板簡介

　　漸變反射板如圖2所示，它包含3塊小型漸變反射板。小型漸變反射板的最外圈是金屬導(dǎo)體層，中間圈是半導(dǎo)體層，最內(nèi)圈是36個相對介電常數(shù)漸變的陶瓷片組成的絕緣體層。從內(nèi)到外，各層的導(dǎo)電性逐漸變化，漸變反射板整體可看作是半導(dǎo)體層和絕緣體層周期性地分布在金屬導(dǎo)體層內(nèi)部，這種周期性結(jié)構(gòu)是一種光子晶體結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生光子帶隙，阻止一定頻率電磁波的傳播。3塊小型漸變反射板中，共有108片陶瓷片，相對介電常數(shù)從10，逐步漸變?yōu)?4，這將使光子晶體結(jié)構(gòu)獲得較寬的光子帶隙，有效阻止超寬帶通信頻段的電磁波傳播^[7-8]。漸變反射板的主體結(jié)構(gòu)是金屬導(dǎo)體，也可以利用金屬導(dǎo)體的反射效果實現(xiàn)對上方天線輻射的反射。使用漸變反射板后，金屬導(dǎo)體的反射與光子帶隙的阻礙電磁波傳播效應(yīng)相疊加，將使天線整體在漸變反射板一側(cè)近乎零輻射，天線的方向性將得到顯著提高。

　　3 天線輻射結(jié)構(gòu)

　　天線基板為低損耗的矩形FR4基板，εr值為7.0?；宕笮∈?5 mm×15 mm×1 mm。天線的各層結(jié)構(gòu)如圖2~圖4所示。基板正面是輻射貼片陣列，包含3個分形單極子輻射貼片；基板背面是全導(dǎo)電天線接地板；基板下方是漸變反射板。

　　天線接地板尺寸為45 mm×7 mm。分形單極子輻射貼片陣列的尺寸為45 mm×15 mm，劃分為3個尺寸為15 mm×15 mm的輻射區(qū)域，每個輻射區(qū)域放置1個分形單極子輻射貼片。分形單極子輻射貼片由一段尺寸為5 mm×1 mm的饋線和1個尺寸為8 mm×8 mm的切角分形貼片組成。切角分形貼片使用2階的切角分形結(jié)構(gòu)。每個分形單極子輻射貼片的饋線最下方設(shè)有天線饋電點。

　　漸變反射板的尺寸為45 mm×15 mm，厚度為1 mm，由3塊小型漸變反射板組成。每塊小型漸變反射板包含3層結(jié)構(gòu)，最外圈是由銅或銀或金組成的外圈邊長為15 mm、內(nèi)圈邊長為12 mm的方形環(huán)導(dǎo)體層，中間圈是由單晶硅材料組成的外圈邊長為12 mm、內(nèi)圈邊長為9 mm的方形環(huán)半導(dǎo)體層，最內(nèi)圈是由介電常數(shù)漸變的陶瓷材料組成的邊長為9 mm的方形絕緣體層。小型漸變反射板最內(nèi)圈的方形絕緣體層，可以劃分為6行6列共36個大小相同的陶瓷片，各個陶瓷片的相對介電常數(shù)逐漸變化。左側(cè)的小型漸變反射板，其左上方陶瓷片相對介電常數(shù)值為最小值10，其右下方陶瓷片相對介電常數(shù)值為最大值20；中間的小型漸變反射板，其左上方陶瓷片相對介電常數(shù)值為最小值12，其右下方陶瓷片相對介電常數(shù)值為最大值22；右側(cè)的小型漸變反射板，其左上方陶瓷片相對介電常數(shù)值為最小值14，其右下方陶瓷片相對介電常數(shù)值為最大值24。

　　4 天線輻射性能實際測試

　　我們實際測試了天線的輻射工作性能，結(jié)果如圖5~圖7所示。

　　從圖5可知，該款天線的工作頻帶為（2 178～11 402）MHz，工作帶寬為9 224 MHz，帶寬倍頻程為5.24，回波損耗最小值為-38.18 dB。該款天線完全覆蓋了超寬帶通信頻段。

　　從圖6和圖7可知，該款天線的主瓣最大增益為13.72 dB，電面零功率點波瓣寬度為80度，半功率點波瓣寬度為45度，副瓣電平為-10.13 dB，前后比為9.41 dB；磁面零功率點波瓣寬度為80度，半功率點波瓣寬度為41度，副瓣電平為-7.85 dB，前后比為7.61 dB。

　　該款天線工作帶寬較大，且在工作頻帶內(nèi)輻射穩(wěn)定，回波損耗值波動較小，能夠保證超寬帶定位信標在整個超寬帶通信頻段內(nèi)穩(wěn)定可靠的工作；該款天線尺寸僅為45 mm×15 mm×2 mm，在小型化方面有優(yōu)勢，可以放進超寬帶定位信標內(nèi)部，也可以放置于超寬帶定位信標外表面，與信標共形；該款天線定向輻射能力優(yōu)異，電面方向圖和磁面方向圖都具有較小的波瓣寬度，較低的副瓣電平，較高的前后比。

　　5 結(jié)論

　　本文針對超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)對定位信標天線的性能要求，設(shè)計了一款分形單極子陣列超寬帶定位信標天線，將微帶單極子天線與切角分形結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)了較強方向性天線的寬頻率工作，并利用直線陣列排布方式組陣，進一步提高了天線輻射強度，加強了天線的方向性；以金屬導(dǎo)體為主體結(jié)構(gòu)，將半導(dǎo)體層和絕緣體層周期性地分布在金屬導(dǎo)體層內(nèi)部，設(shè)計了漸變反射板，利用金屬導(dǎo)體的反射與光子晶體產(chǎn)生的光子帶隙的阻礙電磁波傳播效應(yīng)，有效提高了天線輻射的方向性。實際測試結(jié)果顯示，該款天線能夠超寬帶工作并穩(wěn)定輻射，能夠完全覆蓋超寬帶通信頻段，輻射方向性較好，電面方向圖和磁面方向圖都具有較小的波瓣寬度，較低的副瓣電平，較高的前后比，天線尺寸較小，能夠與定位信標共形，在即將普及的室內(nèi)超寬帶定位系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

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　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第67頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）