分形单极子阵列UWB定位信标天线设计*

　　林 斌（厦门大学嘉庚学院 信息科学与技术学院，福建 漳州 363105）

　　摘 要：本文针对UWB室内定位技术对定位信标天线的性能要求，将微带单极子天线与切角分形结构相结合作为阵元天线，使用直线阵列排布方式组阵，使用渐变反射板进一步提高了天线辐射的方向性，成功设计了一款分形单极子阵列UWB定位信标天线。实际测试的结果表明，该款天线能够超宽带工作并稳定辐射，能够完全覆盖UWB通信频段，辐射方向性较好，能够与定位信标共形。

　　关键词：天线；UWB；定位信标；分形单极子；直线阵列天线；渐变反射板

　　室内定位技术是一种楼宇室内环境下的高精度定位技术，依靠无线通信和定位信标可实现对室内人员和物体的实时追踪定位，在工业4.0/智慧工厂、无人值守展览与售货系统、现代仓储物流、重要人员与设备管控、楼宇内智能导航、医院智能导医等领域得到了越来越多的应用^[1-2]。

　　超宽带（UWB）定位技术有着优异的定位准确性，能够有效穿透室内外的墙体，能够避免多径传输对定位精度的影响，在室内环境下可以实现物品级别的定位精度和毫米级别的准确测距。2019年9月，美国苹果公司发布的iPhone11手机已集成超宽带芯片，超宽带定位技术已成为室内定位领域的主流技术。

　　超宽带通信的频段为（3.1～10.6）GHz，超宽带定位信标天线需要能够超宽带工作并稳定辐射，能够完全覆盖超宽带通信频段，辐射方向性较好，电面方向图和磁面方向图都具有较小的波瓣宽度，较好的副瓣和后瓣抑制，天线尺寸较小，能够与定位信标共形^[3-4]。

　　1 切角分形结构和微带单极子天线简介

　　切角分形结构是一种全新的面式分形结构，它的迭代过程如图1所示。切角分形结构的初始结构是正四边形，将其划分为4行4列共16个小正四边形，将位于边角的4个小正四边形沿着对角线切割掉一半，剩下4个直角三角形和12个小正四边形，可以得到1阶切角分形结构。对1阶切角分形结构内部的12个小正四边形做切角处理，可以得到2阶切角分形结构。依次迭代，可以得到高阶切角分形结构。切角分形结构在迭代生成的过程中，边沿和内部不断形成具有自相似性的缝隙结构，用于天线设计时，自相似性保证了天线内部具有均匀分布的射频电流，这些缝隙产生的辐射也会叠加，保证天线具有宽频带辐射工作能力^[5-6]。

　　微带单极子天线具有良好的方向性，但工作带宽较小，将微带单极子天线与切角分形结构相结合，将微带单极子天线的主要辐射区设计为切角分形结构，可以将二者的优势相结合，得到兼具超宽带工作能力和较强方向性的分形单极子辐射贴片。多个分形单极子辐射贴片按照直线阵列排布方式组成分形单极子辐射贴片阵列，可以利用方向图乘积原理进一步提高天线辐射强度，并加强天线的方向性。

　　2 渐变反射板简介

　　渐变反射板如图2所示，它包含3块小型渐变反射板。小型渐变反射板的最外圈是金属导体层，中间圈是半导体层，最内圈是36个相对介电常数渐变的陶瓷片组成的绝缘体层。从内到外，各层的导电性逐渐变化，渐变反射板整体可看作是半导体层和绝缘体层周期性地分布在金属导体层内部，这种周期性结构是一种光子晶体结构，可以产生光子带隙，阻止一定频率电磁波的传播。3块小型渐变反射板中，共有108片陶瓷片，相对介电常数从10，逐步渐变为24，这将使光子晶体结构获得较宽的光子带隙，有效阻止超宽带通信频段的电磁波传播^[7-8]。渐变反射板的主体结构是金属导体，也可以利用金属导体的反射效果实现对上方天线辐射的反射。使用渐变反射板后，金属导体的反射与光子带隙的阻碍电磁波传播效应相叠加，将使天线整体在渐变反射板一侧近乎零辐射，天线的方向性将得到显著提高。

　　3 天线辐射结构

　　天线基板为低损耗的矩形FR4基板，εr值为7.0。基板大小是45 mm×15 mm×1 mm。天线的各层结构如图2~图4所示。基板正面是辐射贴片阵列，包含3个分形单极子辐射贴片；基板背面是全导电天线接地板；基板下方是渐变反射板。

　　天线接地板尺寸为45 mm×7 mm。分形单极子辐射贴片阵列的尺寸为45 mm×15 mm，划分为3个尺寸为15 mm×15 mm的辐射区域，每个辐射区域放置1个分形单极子辐射贴片。分形单极子辐射贴片由一段尺寸为5 mm×1 mm的馈线和1个尺寸为8 mm×8 mm的切角分形贴片组成。切角分形贴片使用2阶的切角分形结构。每个分形单极子辐射贴片的馈线最下方设有天线馈电点。

　　渐变反射板的尺寸为45 mm×15 mm，厚度为1 mm，由3块小型渐变反射板组成。每块小型渐变反射板包含3层结构，最外圈是由铜或银或金组成的外圈边长为15 mm、内圈边长为12 mm的方形环导体层，中间圈是由单晶硅材料组成的外圈边长为12 mm、内圈边长为9 mm的方形环半导体层，最内圈是由介电常数渐变的陶瓷材料组成的边长为9 mm的方形绝缘体层。小型渐变反射板最内圈的方形绝缘体层，可以划分为6行6列共36个大小相同的陶瓷片，各个陶瓷片的相对介电常数逐渐变化。左侧的小型渐变反射板，其左上方陶瓷片相对介电常数值为最小值10，其右下方陶瓷片相对介电常数值为最大值20；中间的小型渐变反射板，其左上方陶瓷片相对介电常数值为最小值12，其右下方陶瓷片相对介电常数值为最大值22；右侧的小型渐变反射板，其左上方陶瓷片相对介电常数值为最小值14，其右下方陶瓷片相对介电常数值为最大值24。

　　4 天线辐射性能实际测试

　　我们实际测试了天线的辐射工作性能，结果如图5~图7所示。

　　从图5可知，该款天线的工作频带为（2 178～11 402）MHz，工作带宽为9 224 MHz，带宽倍频程为5.24，回波损耗最小值为-38.18 dB。该款天线完全覆盖了超宽带通信频段。

　　从图6和图7可知，该款天线的主瓣最大增益为13.72 dB，电面零功率点波瓣宽度为80度，半功率点波瓣宽度为45度，副瓣电平为-10.13 dB，前后比为9.41 dB；磁面零功率点波瓣宽度为80度，半功率点波瓣宽度为41度，副瓣电平为-7.85 dB，前后比为7.61 dB。

　　该款天线工作带宽较大，且在工作频带内辐射稳定，回波损耗值波动较小，能够保证超宽带定位信标在整个超宽带通信频段内稳定可靠的工作；该款天线尺寸仅为45 mm×15 mm×2 mm，在小型化方面有优势，可以放进超宽带定位信标内部，也可以放置于超宽带定位信标外表面，与信标共形；该款天线定向辐射能力优异，电面方向图和磁面方向图都具有较小的波瓣宽度，较低的副瓣电平，较高的前后比。

　　5 结论

　　本文针对超宽带室内定位技术对定位信标天线的性能要求，设计了一款分形单极子阵列超宽带定位信标天线，将微带单极子天线与切角分形结构相结合，实现了较强方向性天线的宽频率工作，并利用直线阵列排布方式组阵，进一步提高了天线辐射强度，加强了天线的方向性；以金属导体为主体结构，将半导体层和绝缘体层周期性地分布在金属导体层内部，设计了渐变反射板，利用金属导体的反射与光子晶体产生的光子带隙的阻碍电磁波传播效应，有效提高了天线辐射的方向性。实际测试结果显示，该款天线能够超宽带工作并稳定辐射，能够完全覆盖超宽带通信频段，辐射方向性较好，电面方向图和磁面方向图都具有较小的波瓣宽度，较低的副瓣电平，较高的前后比，天线尺寸较小，能够与定位信标共形，在即将普及的室内超宽带定位系统中有较好的应用前景。

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　　（注：本文来源于科技期刊威廉希尔 官网app 2020年第07期第67页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）