用于蓝牙室内定位的生长式分形天线

林斌

关键词：室内定位;信标天线;蓝牙天线;分形天线;生长式分形结构

室内定位系统是一种短距离、高精度定位系统，是伴随着无人机技术、智能汽车技术、物联网技术和大数据技术的发展而发展起来的全新的定位系统。室内定位系统使用多组信标，依靠室内无线通信实现数据传输和同步，广泛应用于无人机室内飞行精确定位、智能车室内行驶精确定位、室内人员和物体的实时追踪定位、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[1-5]。

蓝牙室内定位系统是目前最成熟的室内定位系统，其成本低、功耗小、易于部署，定位精度可以接近分米数量级，特别适合于体积受到严格限制、使用小容量电池且需要长时间不间断工作的室内定位系统。蓝牙通信频段为（2.400～2.4835）GHz，蓝牙室内定位系统天线需要覆盖上述频段并兼具较高的辐射强度和优异的全向辐射特性[6-11]。

1 生长式分形结构简介

分形结构的自相似性使其内部射频电流分布非常均匀，具有优异的宽频带工作能力，在室内定位天线设计领域得到了较多的应用。但传统的分形天线存在着辐射边距离较近，不同辐射边产生的辐射互相耦合，难以保证不同辐射边产生的辐射同相叠加的问题。

为了解决上述问题，我们创造性的对传统分形的迭代过程进行改进，设计了生长式分形结构，它的原型为多边形雪花结构，以正方形结构为例，生长式分形结构的迭代过程如图1 所示。

原始结构是一个正方形，初次迭代时从正方形中心挖出一个各边尺寸为正方形一半的小正方形孔，并在正方形各边上都连接一个和小正方形孔尺寸一致的小正方形。初次迭代的结果是小正方形从原始正方形中心生长到原始正方形的四边。二次迭代时，每个小正方形中心挖出一个各边尺寸为小正方形一半的微正方形孔，并在小正方形外侧三条边上都连接一个和微正方形孔尺寸一致的微正方形。多次迭代后，可以得到高阶正方形生长式分形结构。

生长式分形结构用于天线设计时，每一次分裂生长时新增的方形辐射贴片在上一级辐射贴片外，各级辐射贴片相互耦合、相互影响的程度较小。经过调试可以实现多个不同辐射贴片的工作频段同相叠加，使得生長式分形天线具有较强的辐射性能和较大的工作带宽。

2 天线结构设计

天线整体尺寸为48 mm×54 mm×1 mm，使用FR4基板作为介质基板，其相对介电常数为4.5。

天线辐射贴片的结构如图3 所示。天线辐射贴片的初始元为六边形（0 阶六边形），第一次迭代时在其中间挖出一个各边边长为0 阶六边形一半的六边形孔，并在0 阶六边形的六条边上连接上六个各边边长为0 阶六边形一半的六边形（1 阶六边形）。第二次迭代时，每个1 阶六边形中分裂生长出三个各边边长为其一半的2阶六边形。

天线接地板为全金属接地结构。

3 天线辐射性能测试

我们制作了天线样品，照片如图3 所示;对天线样品的工作性能进行了实测，结果如图4 和图5 所示。

实测结果表明，天线的工作频段为（2.0～3.6）GHz，工作带宽为1.6 GHz，天线的回波损耗值最小值为-25 dB;天线的H 面方向图和E 面方向图都具有全向辐射特性。

实测结果显示，该天线能够完全覆盖蓝牙工作频段并兼具较高的辐射强度、较大的工作带宽和优异的全向辐射能力。

4 结论

本文创造性的对传统分形的迭代过程进行了改进，设计了全新的生长式分形结构，并针对蓝牙室内定位系统对天线的性能要求，使用六边形结构作为初始元进行2 次生长分形迭代，设计了一款用于蓝牙室内定位的生长式分形天线。我们制作出天线样品，进行了实际测试。实测表明，本款天线能够完全覆盖蓝牙工作频段，有较大性能冗余，全向辐射性能优异，有望作为蓝牙定位信标天线在高精度室内定位领域得到广泛应用。