CN102570005B - 可穿戴的组合式超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴的组合式超宽带天线，主要解决现有天线不能覆盖超宽带频段，辐射方向图不对称的问题。本天线由辐射单元(1)、天线介质(2)、地板(3)和同轴线(4)组成，天线介质由人的衣物构成，辐射单元垂直固定在衣物的表面，地板对称固定在辐射单元垂直固定处的衣物的底面，辐射单元和地板分别与同轴线内芯和外芯相连进行馈电，其中辐射单元由三层纽扣式金属体组成，第一层(101)为底面开有矩形通孔、两侧开有对称缺口的中空圆柱体，第二层(103)为中空的长方体，第三层(104)为设有过孔的圆柱体；同轴线通过位于地板中心的圆孔(301)对辐射单元进行馈电。本发明可覆盖超宽带频段，并具有良好的方向图特性。

Description

可穿戴的组合式超宽带天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，涉及天线，尤其是一种可穿戴的组合式超宽带天线。

技术背景

近年来，随着计算机体积的不断缩小，穿戴式计算机得到了迅速发展，以计算机为核心的穿戴系统初现端倪，并展现了强劲的发展势头。当前，构成穿戴系统的各个设备的体积和重量都越来越小，但还不能完全实现真正意义上的穿戴于人体或衣物。要想把这些设备都分散地缝制于人的衣服上，在正常工作的前提下，不影响人的日常活动，就必须进一步减小这些设备的重量和体积。天线作为无线通信的必备部件，为了减小整个穿戴系统的体积，可以把它从通信设备中分离出来，作为一个独立的部分，缝制于人的衣物上，天线的馈电端通过射频传输线与通信设备连接。而超宽带天线由于其具有低功率、低耗电量等优点，可有效减小天线对人体的辐射影响，适用于可穿戴系统。目前有两项现有技术，现有技术1：B.Sanz-Izquierdo等人发表在2007Loughborough Antennas and Propagation Conference的文章：小型超宽带可穿戴天线(COMPACT UWB WEARABLE ANTENNA)公布了一种工字型结构的天线，如图1所示，天线的辐射单元由聚四氟乙烯材料制成的圆盘，并通过下方的n字形柱体与上方带有圆柱体的金属底盘相扣接构成，该天线采用的是微带线侧馈方式进行馈电，天线的辐射方向图会受到微带线的影响发生变形，使天线方向图处于不对称分布，影响天线的性能，同时由于采用聚四氟乙烯作为天线的辐射体的一部分，导致天线的增益较低。现有技术2：J.M.Floc’h等人发表在MICROWAVE AND OPTICALTECHNOLOGY LETTERS第51卷第12期(2009年12月)的文章：牛仔裤纽扣辐射特性的研究(INVESTIGATION of RADIATING JEANS-BUTTON ANTENNAS)公布了几种三层圆柱体阶梯结构的天线，如图2所示，这些天线的辐射单元均由从上到下半径依次减小的圆柱体构成，这些天线只能工作在较窄的频段内，不能覆盖超宽带频段，并且采用的是微带线侧馈方式进行馈电，天线的辐射方向图会受到微带线的影响发生变形，天线方向图不对称分布，影响天线的性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种可穿戴的组合式超宽带天线，以覆盖超宽带频段，获得均匀对称分布的辐射方向图，提高天线性能。

为实现上述目的，本发明包括辐射单元、天线介质、地板和同轴线，辐射单元和地板分别与同轴线内芯和外芯相连进行馈电，辐射单元由高度和大小不同的三层一体纽扣式金属体组成，天线介质由人的衣物构成，辐射单元垂直固定在衣物的表面，地板对称固定在辐射单元垂直固定处的衣物的底面，其特征在于：

纽扣式金属体的第一层采用底面开有矩形通孔、两侧开有对称缺口的中空圆柱体，第二层采用中空的长方体，第三层采用设有过孔的圆柱体；

馈电采用底馈方式，即同轴线通过位于地板中心的圆孔对辐射单元进行馈电。

所述的可穿戴的组合式超宽带天线，其中第一层的两个对称缺口的切线与第二层长方体的长边平行，缺口切线的长度大于第二层的长边。

所述的可穿戴的组合式超宽带天线，其中第二层的中空横截面与第一层的底面的矩形通孔大小相同。

所述的可穿戴的组合式超宽带天线，其中第三层的过孔为相互垂直、半径相同的两个圆柱形通孔，通过这两个孔将辐射单元缝制在衣物上。

所述的可穿戴的组合式超宽带天线，其中第一层的直径大于第二层的长边，第二层的长边大于第三层的直径。

所述的可穿戴的组合式超宽带天线，其中辐射单元的总高度：h＜λ/4，所述三层的高度比例为：h1∶h2∶h3≈10∶7∶4，其中λ为最大工作波长，h1，h2，h3分别为第一层的高度，第二层的高度，第三层的高度。

本发明的辐射单元由于采用由三层不同高度和宽度的纽扣形金属体结构，通过分别调整各层参数，可以在多个频点得到稳定的谐振，从而覆盖到很宽的频带；同时由于纽扣式金属体的第一层采用底面开有矩形通孔、两侧开有对称缺口的中空圆柱体，第二层采用中空的长方体，减轻了天线的重量，第三层采用设有过孔的圆柱体，可通过这两个孔将辐射单元缝制在衣物上。此外由于本发明的馈电采用底馈方式，即同轴线通过位于地板中心的圆孔对辐射单元进行馈电，可避免馈电线对天线辐射方向图的影响。

理论计算表明，本发明可以实现四倍工作带宽，充分覆盖了超宽带的工作频带，天线在E面具有良好的全向辐射性能，H面对称分布。

附图说明

图1是现有技术1的天线结构图；

图2是现有技术2的天线结构图；

图3是本发明的天线结构图；

图4是本发明天线的辐射单元结构示意图；

图5是本发明天线的地板结构示意图；

图6是本发明天线的工作频率-回波损耗曲线图；

图7是本发明天线在各个频率点的E面的远场方向图；

图8是本发明天线在各个频率点的H面的远场方向图。

具体实施方式

参照图3、图4、图5，本发明天线主要由辐射单元1，介质材料2、地板3和同轴线4组成，辐射单元1由纽扣式金属组合体组成，天线介质2由人的衣物构成，辐射单元1垂直固定在衣物的表面，地板3对称固定在辐射单元1垂直固定处的衣物的底面。其中辐射单元1的结构如图4所示，它采用三层一体金属结构，各层的高度和大小不同，第一层101采用中空圆柱体，圆柱体的底面开有矩形通孔，圆柱体的两侧开有对称缺口，对称缺口由通过切线102的铅垂面切割第一层圆柱体得到，第一层101的两个对称缺口的切线102与第二层103长方体的长边平行，缺口切线102的长度大于第二层103长方体的长边。第二层103采用中空的长方体，长方体的中空横截面与圆柱体101的底面的矩形通孔大小相同。第三层104采用圆柱体，圆柱体上设有两个圆柱形过孔105，这两个圆柱形过孔相互垂直、半径相同，通过这两个孔将辐射单元1缝制在衣物上。第一层101的直径d1大于第二层103的长边d2，第二层103的长边d2大于第三层104的直径d3，三者之间的比为d1∶d2∶d3≈24∶13∶6.5；辐射单元1的总高度：h＜λ/4，第一层101的高度h1大于第二层103的高度h2，第二层103的高度h2大于第三层104的高度h3，三者之间的比为：h1∶h2∶h3≈10∶7∶4，其中λ为天线的最大工作波长。所述的三层结构由机械整体加工完成。其中地板3的结构如图5所示，地板3为矩形，地板中心有一个圆孔301贯通地板3和介质材料2，同轴线4通过该孔对辐射单元1进行馈电，地板3可由铜板或铜箔纸等材料制成，并可通过与同轴线4焊接或与衣物用胶连接，固定在衣物的背面。

下面通过对天线实例的仿真来进一步说明本发明的优点：

1.仿真实例：设辐射单元的第一层圆柱体的半径为12mm，高度为10mm，壁厚为1mm，切线长为13.3mm，底面的矩形通孔长为11mm，宽为10.5mm；第二层中空的长方体长为13mm，宽为12.5mm，高为6.8mm，壁厚为1mm；第三层圆柱体的半径为3.3mm，高度为4mm，圆柱形过孔的中心距地板2.5mm，半径为1mm。

介质材料选择长为60mm，宽为70mm，高度为2mm，介电常数为1.4的羊毛织物作为人的衣物。

地板选择长为60mm，宽为70mm，高度为0.2mm的铜板，地板中心的圆孔半径为2mm。

1、仿真内容

1)利用仿真软件对上述实施例天线的回波损耗曲线进行仿真，结果如图6所示。

从图6可见，本发明天线在回波损耗小于负10dB的条件下，具有3GHz-12.8GHz的工作频带，覆盖了超宽带工作频带，这说明本发明天线具有良好的超宽带工作性能。

2)利用仿真软件对上述实施例天线的远场方向图进行仿真，结果如图7和图8所示，其中：图7(a)为对实施例天线在4GHz时仿真得到的E面的远场方向图，图8(a)为对实施例天线在4GHz时仿真得到的H面的远场方向图；图7(b)为对实施例天线在6.5GHz时仿真得到的E面的远场方向图，图8(b)为对实施例天线在6.5GHz时仿真得到的H面的远场方向图；图7(c)为对实施例天线在9GHz时仿真得到的E面的远场方向图，图8(c)为对实施例天线在9GHz时仿真得到的H面的远场方向图。

从图7(a)可见，在4GHz时，本发明天线在E面具有良好的全向辐射性能，从图8(a)可见，H面对称分布，实施例天线的最大增益为3.5dB；

从图7(b)中可见，在6.5GHz时，本发明天线在E面具有良好的全向辐射性能，从图8(b)可见，H面对称分布，实施例天线的最大增益为5.18dB；

从图7(c)中可见，在9GHz时，本发明天线在E面具有良好的全向辐射性能，从图8(c)可见，H面对称分布，实施例天线的最大增益为6.25dB。

可见，在上述三个频点，本发明天线的增益均大于等于3.5dB，具有较高的增益。

以上仿真结果说明本发明天线具有优秀的辐射性能。

所述实例仅为本发明天线的一个具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明天线的超宽带频带和辐射方向图特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (3)

1.一种可穿戴的组合式超宽带天线，包括辐射单元(1)、天线介质(2)、地板(3)和同轴线（4）；辐射单元(1)和地板(3)分别与同轴线（4）内芯和外芯相连进行馈电；辐射单元(1)由高度和大小不同的三层一体纽扣式金属体组成，天线介质(2)由人的衣物构成，辐射单元(1)垂直固定在衣物的表面，地板(3)对称固定在辐射单元(1)垂直固定处的衣物的底面，其特征在于:

纽扣式金属体的第一层(101)采用底面开有矩形通孔、两侧开有对称缺口的中空圆柱体，第二层(103)采用中空的长方体，第三层(104)采用设有过孔(105)的圆柱体；该一层(101)的两个对称缺口的切线(102)与第二层(103)长方体的长边平行，缺口切线(102)的长度大于第二层(103)的长边；该第二层(103)的中空横截面与第一层(101)的底面的矩形通孔大小相同；该第三层的过孔(105)为相互垂直、半径相同的两个圆柱形通孔，通过这两个孔将辐射单元(1)缝制在衣物上；

馈电采用底馈方式，即同轴线通过位于地板(3)中心的圆孔(301)对辐射单元(1)进行馈电。

2.根据权利要求1所述的可穿戴的组合式超宽带天线，其特征在于第一层(101)的直径大于第二层(103)的长边，第二层(103)的长边大于第三层(104)的直径。

3.根据权利要求1所述的可穿戴的组合式超宽带天线，其特征在于辐射单元(1)的总高度:h＜λ/4,所述三层的高度比例为:h1:h2:h3≈10:7:4，其中λ为最大工作波长，h1,h2,h3分别为第一层(101)的高度，第二层(103)的高度，第三层(104)的高度。

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