CN104269607B - 一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，包括偶极子天线和人工磁导体结构，偶极子天线由天线辐射枝节、弧形馈线和柔性介质基板构成，天线辐射枝节由4个S形枝节构成，上、下和左、右S形枝节分别关于柔性介质基板的中心点对称，其中上、左及下、右S形枝节分别通过矩形贴片连接，上、左S形枝节位于柔性介质基板的正面，下、右S形枝节位于柔性介质基板的背面，弧形馈线通过矩形贴片与基板正面的S形枝节相连。人工磁导体结构由人工磁导体柔性介质基板、周期性方形贴片单元及金属地板构成。本发明具有柔性、尺寸小、剖面低、宽频带、低辐射、高增益、美观等优点，适用于人体局域网领域。

Description

一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种人体移动通信领域，具体涉及一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线。

背景技术

随着移动电子技术与超低功耗消费电子的结合，以及半导体无线收发器芯片和传感器的日趋小型化，人体局域网(BAN)可通过高速、短距离的无线技术实现体内的医疗器件与体外传感器的无线互连，并利用监测工具实时提供病人的健康数据。人体局域网系统在远程医疗、移动保健以及军事智能化等方面具有重要的作用。全球的医疗保健和健康诊疗手段正发生着快速的变化，支持远程实时检测和治疗的新服务将不断涌现，进而促进医疗服务发展到一个全新的水平。天线作为人体局域网系统中必不可少的部分也具有重要的发展及应用前景。超宽带技术具有低发射功率、高数据传输率等特征，适用于人体局域网系统。超宽带的低频段3.1～4.9GHz以及高频段6.0～10.6GHz被用于穿戴式无线人体域网中。因此，基于超宽带技术的人体局域网天线设计具有重要意义。然而，由于其特殊的工作环境(体表/体内)的要求，我们在考虑天线回波损耗、增益等基本性能的同时，还要考虑天线的柔软性、低剖面、尺寸小、低辐射、以及人体对天线性能的影响等。现有的用于人体局域网的超宽带天线多数只具备了上述的部分性能。基于人体局域网天线的特殊要求，以及现有人体局域网超宽带天线的不足，我们设计了一款具有可穿戴、尺寸小、剖面低、宽频带、低辐射、高增益等性能的人体局域网天线。

传统的半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为1/4个工作波长。导线的直径远小于工作波长，天线的激励加在天线中间的两个相邻端点上。平面印刷偶极子天线属于半波偶极子天线的变形，它是由印刷在介质基板表面的两条导体微带线组成。天线从两条导体微带线的中间馈电，且两条微带线上的电流流向相同。平面印刷偶极子天线具有低剖面、易加工、平面等优点，适用于要求天线厚度薄的场合，如植入式医疗备、穿戴式电子设备、小型娱乐设备等。

天线的小型化有多种方法，常见的有使用弯折天线结构、高介电常数的基质、堆叠天线结构以及多幅天线集成等方法来减小天线尺寸。天线辐射枝节的尺寸与工作波长的大小成正比，使用高介电常数基质，可以减小天线的实际工作波长，从而减小天线的尺寸。然而，高介电常数的基质一般质地坚硬，不适于柔性的人体局域网天线设计，且价格昂贵，不利于天线的低成本生产及其普遍适用性。堆叠天线结构是利用上、下贴片间的耦合激励或者直接激励的方式来增加电流路径，从而减小天线尺寸的方法。然而，这种方法往往会增加天线的厚度，不利于天线的低剖面设计。弯折天线结构是在同一平面上将天线结构进行弯曲折叠，这样能充分利用平面的空间，增加有效的电流路径长度，从而达到缩小天线尺寸的效果。

人工磁导体结构是一种二维周期性排列的阵列结构，其本身不吸收能量，却能起到同向反射的作用。它是由位于基板上方的周期性结构和位于基板下方的地板构成。不同于理想导体结构的180°反射相位特性，人工磁导体结构的反射相位从-180°到180°变化，我们通常选取-90°到90°的相位带隙作为可用带隙。如果使用具有180°反射相位的理想导体作为反射板，为了使入射信号与反射信号同向，反射板需要距离天线1/4个工作波长。然而，使用相位从-90°到90°变化的人工磁导体时，反射板距离天线的距离将小于1/4个工作波长，从而达到降低天线剖面的效果。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供具有低剖面、宽频带、低辐射、高增益、柔性的一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线。

本发明采用如下技术方案：

一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，包括偶极子天线和人工磁导体结构，所述偶极子天线由天线辐射枝节、弧形馈线和柔性介质基板构成，所述天线辐射枝节由4个S形枝节构成，分别为上、下、左、右S形枝节，所述上、下和左、右S形枝节分别关于柔性介质基板的中心点对称，其中上、左S形枝节及下、右S形枝节分别通过矩形贴片连接，所述上、左S形枝节位于柔性介质基板的正面，所述下、右S形枝节位于柔性介质基板的背面，所述弧形馈线通过矩形贴片与柔性介质基板正面的S形枝节相连，所述人工磁导体结构由人工磁导体柔性介质基板、刻蚀在人工磁导体柔性介质基板正面的周期性方形贴片单元及刻蚀在人工磁导体柔性介质基板背面的金属地板构成。

所述人工磁导体结构位于偶极子天线的正下方，垂直距离2mm。

所述4个S形枝节结构相同，由半圆贴片和渐窄的弧形贴片连接构成，所述渐窄的弧形贴片由大圆减去与其内切的小圆构成。

所述半圆贴片的圆心、大圆的圆心及小圆的圆心都在柔性介质基板的竖直中线上，所述大圆半径为5.2mm，小圆半径为3.5mm，半圆贴片的半径为3.6mm，所述大圆圆心距离半圆贴片垂直距离为1mm。

所述弧形馈线是由一个半圆环构成，所述半圆环的宽度为0.35mm，所述半圆环的内圆环半径2.05mm，所述半圆环的圆心在柔性介质基板的竖直中线上。

所述弧形馈线位于下S形枝节相对应的柔性介质基板正面。

同轴线的外导体焊接到柔性介质基板背面的S形枝节上，内芯焊接到弧形馈线。

本发明的有益效果：

弯折枝节是实现天线小型化的关键，由于偶极子辐射枝节的长度约为四分之一个波长，如果采用规则形状的单极子辐射枝节，会导致天线尺寸的增加，本发明采用两个相互正交的偶极子覆盖了6.0～10.6GHz低频段。S枝节与普通矩形枝节相比，所占用空间更小，减小了天线整体尺寸。另外，天线采用弧形微带线馈电，有利于同轴馈线与天线的连接。传统的偶极子天线是一个端口激励一个偶极子，本方案中利用两个S形辐射枝节相连，实现了一个端口激励两个偶极子工作，这样就减少了双端口设计的复杂度，同时，本发明中的偶极子结构具有的相对带宽(76.7％)比传统的偶极子天线的相对带宽(31％)大两倍以上。

人工磁导体结构的引用，不仅改善了天线的辐射性能，而且减少了人体与天线的相互影响。人工磁导体结构采用无金属通孔的正方形结构，易于加工和制作。

该天线是小型的柔性平面结构，具有尺寸小、剖面低、宽频带、低辐射、高增益等优点，在自由空间、人体上以及弯曲状态下，天线都具有良好的辐射特性。该天线具有使用价值，能普遍应用于人体域网系统中。

附图说明

图1是一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线的结构及参数示意图；

图2是偶极子天线的结构及参数示意图；

图3(a)是方形贴片单元的结构及参数示意图，图3(b)是人工磁导体的结构及参数示意图；

图4(a)是本发明的S11曲线图，图4(b)是本发明在6GHz时的辐射方向图。

图中示出：

1—偶极子天线，2—人工磁导体结构，1A—上S形枝节，1B—左S形枝节，1C—下S形枝节，1D—右S形枝节，3—弧形馈线，4—柔性介质基板，5—方形贴片单元，6—人工磁导体的柔性介质基板，7—金属地板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，包括偶极子天线1和人工磁导体结构2，所述人工磁导体结构2位于偶极子天线1的正下方，垂直距离为2mm，主要用于隔离天线下方的电磁波，保护人体免受辐射，同时，增大天线的正向增益。

如图2所示，偶极子天线制作在相对介电常数为3.2、介质损耗正切值为0.002和厚度为0.14mm的Panasonic R-F770柔性介质基板4上，其尺寸为26×26×0.14mm³。

偶极子天线1由天线辐射枝节、弧形馈线3和柔性介质基板4构成,所述天线辐射枝节由4个S形枝节构成，所述4个S形枝节结构相同，均由半圆贴片和渐窄的弧形贴片连接构成，所述渐窄的弧形贴片由大圆减去与其内切的小圆构成，所述渐窄的弧形贴片的宽端与半圆贴片连接。所述4个S形枝节分别为上、下、左、右S形枝节1A、1B、1C、1D，每两个相邻S形枝节间隔90度，所述上、下S形枝节1A、1C和左、右S形枝节1B、1D分别关于柔性介质基板4的中心点对称，其中上S形枝节1A和左S形枝节1B通过矩形贴片相连，并位于柔性介质基板4的正面，下S形枝节1C和右S形枝节1D通过矩形贴片相连，且位于柔性介质基板的背面。S形枝节的半圆贴片的半径r1影响天线的频段，随着r1的增加，S形枝节的长度增加，频段向低频移动。组成渐窄弧形贴片的大圆半径r3影响弧形贴片的长短，随着r3的增加，S形枝节的长度增加，频段向低频移动。S形枝节由半圆贴片和渐窄弧形贴片连接构成。半圆贴片的半径r1为3.6mm，渐窄的弧形贴片是由大圆减去与其内相切的小圆形成的，其中大圆半径r3为5.2mm，小圆半径r2为3.5mm。所述半圆贴片的圆心、大圆的圆心及小圆的圆心都在柔性介质基板的竖直中线上。

天线馈电结构采用弧形馈线，所述弧形馈线是由一个半圆环构成，所述半圆环的内圆环半径2.05mm，所述半圆环的圆心在柔性介质基板的竖直中线上。所述弧形馈线3通过矩形贴片与柔性介质基板4正面的S形枝节相连，所述弧形馈线3位于下S形枝节1C相对应的柔性介质基板正面。同轴线的外导体焊接到柔性介质基板背面的下S形枝节1C上，内芯焊接到弧形馈线上。所述弧形馈线的宽度d1对天线阻抗匹配有较大的影响，随着d1的增加，天线的阻抗匹配变差，阻抗带宽减小，弧形馈线的宽度d1为0.35mm；弧形馈线的长度对天线的阻抗匹配影响较小，随着弧形馈线内环半径r4的变化，天线的阻抗带宽变化较小。

如图3(b)所示，人工磁导体结构由人工磁导体的柔性介质基板6、刻蚀在人工磁导体柔性介质基板正面的周期性排列方形贴片单元5及刻蚀在人工磁导体柔性介质基板背面的金属地板7构成。所述人工磁导体结构是由5×5的方形贴片单元周期性排列而成。如图3(a)所示，所述方形贴片刻蚀在方形介质基板上构成方形贴片单元。w是人工磁导体的宽度为46mm。人工磁导体结构的方形贴片长度a为8mm，方形介质板的长度b为9.2mm。实际加工中，柔性介质基板的厚度最大只能达到0.14mm，而所需的人工磁导体的介质基板6的厚度为3.6mm，为此，我们采用上、下两层0.05mm Panasonic R-F770柔性基板与中间3.5mm的柔性泡沫板叠加构成。该结构具有较宽的±90°相位带隙，作为天线的反射板时，既可以满足天线带宽，又可降低天线的背向辐射，增加天线的正向增益。

图4(a)中的S11曲线图以及图4(b)所示在6GHz时的辐射方向图展示了在回波损耗S11≤-10dB的标准下，天线覆盖了6～10.6GHz频段。由于人工磁导体的同向发射作用，加载人工磁导体的天线放在人体上时，天线具有单向辐射特性，且其最大增益达到9dBi。

其他参数说明如下：L是介质基板的长度为13mm。d是组成弧形贴片大圆原点距离半圆贴片的距离为1mm，l1是连接弧形微带线与S形枝节的矩形贴片的长度为0.7mm，r4是构成弧形馈线的内圆环半径为2.05mm，φ是相邻S形枝节间的角度为90°。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，其特征在于，包括偶极子天线和人工磁导体结构，所述偶极子天线由天线辐射枝节、弧形馈线和柔性介质基板构成，所述天线辐射枝节由4个S形枝节构成，分别为上、下、左、右S形枝节，所述上、下和左、右S形枝节分别关于柔性介质基板的中心点对称，其中上、左S形枝节及下、右S形枝节分别通过矩形贴片连接，所述上、左S形枝节位于柔性介质基板的正面，所述下、右S形枝节位于柔性介质基板的背面，所述弧形馈线通过矩形贴片与柔性介质基板正面的S形枝节相连，所述人工磁导体结构由人工磁导体柔性介质基板、刻蚀在人工磁导体柔性介质基板正面的周期性方形贴片单元及刻蚀在人工磁导体柔性介质基板背面的金属地板构成；

所述人工磁导体结构位于偶极子天线的正下方，垂直距离2mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，其特征在于，所述4个S形枝节结构相同，由半圆贴片和渐窄的弧形贴片连接构成，所述渐窄的弧形贴片由大圆减去与其内切的小圆构成。

3.根据权利要求2所述的一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，其特征在于，所述半圆贴片的圆心、大圆的圆心及小圆的圆心都在柔性介质基板的竖直中线上，所述大圆半径为5.2mm，小圆半径为3.5mm，半圆贴片的半径为3.6mm，所述大圆圆心距离半圆贴片垂直距离为1mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，其特征在于，所述弧形馈线是由一个半圆环构成，所述半圆环的宽度为0.35mm，所述半圆环的内圆环半径2.05mm，所述半圆环的圆心在柔性介质基板的竖直中线上。

5.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，其特征在于，所述弧形馈线位于下S形枝节相对应的柔性介质基板正面。

6.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线，其特征在于，同轴线的外导体焊接到柔性介质基板背面的S形枝节上，内芯焊接到弧形馈线。