林 斌（厦门大学嘉庚学院 信息科学与技能学院，福建 漳州 363105）
摘 要：本文针对UWB室内定位技能对定位信标天线的功能要求，将微带单极子天线与切角分形结构相结合作为阵元天线，运用直线阵列排布方法组阵，运用突变反射板进一步进步了天线辐射的方向性，成功规划了一款分形单极子阵列UWB定位信标天线。实践测验的成果表明，该款天线可以超宽带作业并安稳辐射，可以彻底掩盖UWB通讯频段，辐射方向性较好，可以与定位信标共形。
关键词：天线；UWB；定位信标；分形单极子；直线阵列天线；突变反射板
室内定位技能是一种楼宇室内环境下的高精度定位技能，依托无线通讯和定位信标可完成对室内人员和物体的实时追寻定位，在工业4.0/才智工厂、无人值守展览与售货体系、现代仓储物流、重要人员与设备管控、楼宇内智能导航、医院智能导医等范畴得到了越来越多的运用[1-2]。
超宽带（UWB）定位技能有着优异的定位精确性，可以有用穿透室表里的墙体，可以防止多径传输对定位精度的影响，在室内环境下可以完成物品等级的定位精度和毫米等级的精确测距。2019年9月，美国苹果公司发布的iPhone11手机已集成超宽带芯片，超宽带定位技能已成为室内定位范畴的干流技能。
超宽带通讯的频段为（3.1～10.6）GHz，超宽带定位信标天线需求可以超宽带作业并安稳辐射，可以彻底掩盖超宽带通讯频段，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，较好的副瓣和后瓣按捺，天线尺度较小，可以与定位信标共形[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，它的迭代进程如图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，将坐落边角的4个小正四边形沿着对角线切割掉一半，剩余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。顺次迭代，可以得到高阶切角分形结构。切角分形结构在迭代生成的进程中，边缘和内部不断构成具有自相似性的缝隙结构，用于天线规划时，自相似性确保了天线内部具有均匀散布的射频电流，这些缝隙发生的辐射也会叠加，确保天线具有宽频带辐射作业才能[5-6]。
微带单极子天线具有杰出的方向性，但作业带宽较小，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首要辐射区规划为切角分形结构，可以将二者的优势相结合，得到兼具超宽带作业才能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依照直线阵列排布方法组成分形单极子辐射贴片阵列，可以运用方向图乘积原理进一步进步天线辐射强度，并加强天线的方向性。
2 突变反射板简介
突变反射板如图2所示，它包括3块小型突变反射板。小型突变反射板的最外圈是金属导体层，中心圈是半导体层，最内圈是36个相对介电常数突变的陶瓷片组成的绝缘体层。从内到外，各层的导电性逐突改变，突变反射板全体可看作是半导体层和绝缘体层周期性地散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，可以发生光子带隙，阻挠必定频率电磁波的传达。3块小型突变反射板中，共有108片陶瓷片，相对介电常数从10，逐步突变为24，这将使光子晶体结构取得较宽的光子带隙，有用阻挠超宽带通讯频段的电磁波传达[7-8]。突变反射板的主体结构是金属导体，也可以运用金属导体的反射作用完成对上方天线辐射的反射。运用突变反射板后，金属导体的反射与光子带隙的阻止电磁波传达效应相叠加，将使天线全体在突变反射板一侧近乎零辐射，天线的方向性将得到明显进步。
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。基板巨细是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，包括3个分形单极子辐射贴片；基板反面是全导电天线接地板；基板下方是突变反射板。
天线接地板尺度为45 mm×7 mm。分形单极子辐射贴片阵列的尺度为45 mm×15 mm，划分为3个尺度为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度为5 mm×1 mm的馈线和1个尺度为8 mm×8 mm的切角分形贴片组成。切角分形贴片运用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。
突变反射板的尺度为45 mm×15 mm，厚度为1 mm，由3块小型突变反射板组成。每块小型突变反射板包括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，中心圈是由单晶硅资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突变的陶瓷资料组成的边长为9 mm的方形绝缘体层。小型突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个巨细相同的陶瓷片，各个陶瓷片的相对介电常数逐突改变。左边的小型突变反射板，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；中心的小型突变反射板，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；右侧的小型突变反射板，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 天线辐射功能实践测验
咱们实践测验了天线的辐射作业功能，成果如图5~图7所示。
从图5可知，该款天线的作业频带为（2 178～11 402）MHz，作业带宽为9 224 MHz，带宽倍频程为5.24，回波损耗最小值为-38.18 dB。该款天线彻底掩盖了超宽带通讯频段。
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。
该款天线作业带宽较大，且在作业频带内辐射安稳，回波损耗值动摇较小，可以确保超宽带定位信标在整个超宽带通讯频段内安稳牢靠的作业；该款天线尺度仅为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外表，与信标共形；该款天线定向辐射才能优异，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 定论
本文针对超宽带室内定位技能对定位信标天线的功能要求，规划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，完成了较强方向性天线的宽频率作业，并运用直线阵列排布方法组阵，进一步进步了天线辐射强度，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散布在金属导体层内部，规划了突变反射板，运用金属导体的反射与光子晶体发生的光子带隙的阻止电磁波传达效应，有用进步了天线辐射的方向性。实践测验成果显现，该款天线可以超宽带作业并安稳辐射，可以彻底掩盖超宽带通讯频段，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，天线尺度较小，可以与定位信标共形，在行将遍及的室内超宽带定位体系中有较好的运用远景。
参考文献：
[1] LIU XM, WANG W, GUO Z H, et al. Research onAdaptive SVR Indoor Location Based on GA Optimization[J].Wireless Personal Communications, 2019, 109(2): 1095-1120.
[ 2 ] YANG HF , ZHANG YB , HUANG YL , etal .
WKNN Indoor Positioning Algorithm Based on SpatialCharacteristics Partition and Former Location Restriction[J].
Journal of Software, 2019, 30(11): 3427-3439.
[3] MUSAA, NUGRAHAGD, HANH, etal. A DecisionTree-Based NLOS Detection Method for the UWB IndoorLocation Tracking Accuracy Improvement [J]. InternationalJournal of Communication Systems, 2019, 32(13): Articlenumber: e3997.
[4] LIN X Z, WANGX, LIN CX, et al. Location InformationCollection and Optimization for Agricultural Vehicle Basedon UWB[J]. Transactions of the Chinese Society forAgricultural Machinery, 2018, 49(10): 23-29.
[5] JINDAL S, SIVIAJS, BINDRA H S. Defected GroundBased Fractal Antenna for S and C Band Applications[J].Wireless Personal Communications, 2020, 110(1): 109-124.
[6] MUNGARU NK, YOGAPRASAD K, ANITHA VR. AQuad-Band Sierpenski Based Fractal Antenna Fed by Co-Planar Waveguide[J]. Microwave and Optical TechnologyLetters, 2020, 62(2): 893-898.
[7] GUPTA S, TIETZ S, VUCKOVIC J, et al. Silicon-Compatible Fabrication of Inverse Woodpile PhotonicCrystals with a Complete Band Gap[J]. ACS Photonics,2019, 6(2): 368-373.
[8] DU X W, HOU D S, LI X, et al. Symmetric ContinuouslyTunable Photonic Band Gaps in Blue-Phase Liquid CrystalsSwitched by an Alternating Current Field[J]. ACS AppliedMaterials and Interfaces, 2019, 11(24): 22015-22020.
（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第67页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）
