CN104269615A - 一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，包括天线辐射单元、共面波导馈电结构、人工磁导体结构和柔性介质基板，天线辐射单元包括上、下圆环贴片及椭圆形贴片，人工磁导体结构加载到天线的正下方，所述人工磁导体结构由人工磁导体介质基板、周期性排列的圆形贴片单元及刻蚀在人工磁导体介质基板背面的金属地板构成，圆形贴片单元由圆环贴片及位于圆环贴片内部的第三圆形贴片构成，本发明设计的加载人工磁导体结构的双频环形印刷单极子天线工作在工业科学医疗频段，具有柔性、低剖面、高增益、定向辐射等特征，易与人体共形，同时，该天线具有较低的背向辐射，降低了天线对人体的辐射。

Description

一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，人体周围的无线通信设备越来越多，人们对无线通信技术的应用需求也日益提高。无线人体局域网系统能够很好地满足体育、医疗、娱乐以及军事等领域对人生命体征进行实时测量与监控的需求，逐渐成为了下一代移动通信技术研究中的热点方向之一。无线人体局域网是附着在人体身上的一种网络，它是以人体为中心，由分布在人体表面或植入人体内部的传感器以及个人数据采集处理终端组成，以采集人体各种生理参数为目的。通过无线人体局域网，个人不仅可以和其身上携带的个人电子设备(如手机、PDA等)进行通信，还可以和其它数据通信网络终端进行通信，成为整个通信网络的一部分。体域网的关键技术之一是人体局域网天线的设计。人体局域网天线的开发与我们寻常使用的天线设备不同，除了人体形态变化对天线电磁波的传播带来影响外，还必须考虑人体本身这个非常复杂的电磁系统。人体由多种形状各异、电磁特性不同的生物组织构成，而且，大多数生物组织都是非均匀的有耗色散媒质，这些组织的电导率和介电常数等电参量是随着频率、温度、组织结构和含水量等的变化而变化的，这些特性与人体复杂的形体共同构成了天线电波传播的边界条件。同时，应用于人体局域网的天线也要减小天线对人体的辐射。因此，基于人体与天线的交互影响而进行设计的天线有着重要的意义。

平面印刷单极子天线是指一种印刷在介质基板表面的导体微带线(通常其长度约为四分之一波长)，其根部接馈线,其作用及辐射类似于偶极子。平面印刷单极子天线具有低剖面、易加工、尺寸小等优点，适用于要求天线厚度薄，尺寸小的场合，如植入式医疗、穿戴式电子设备、小型娱乐设备等。

天线有多种馈电方式，常用到的有同轴线馈电、微带线馈电和共面波导馈电等方式。共面波导结构是由中间50Ω微带线与两侧地板构成(微带线和地板位于基板同一侧)。此外，为了应对功耗问题，可以在平面波导结构的基板背面加上地板，这就形成了接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide，GCPW)结构。

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，本发明提供一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线。

本发明采用如下技术方案：

一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，包括双频环形印刷单极子天线及人工磁导体结构，所述人工磁导体结构位于双频环形印刷单极子天线的正下方，所述双频环形印刷单极子天线包括天线辐射单元、共面波导馈电结构和柔性介质基板，所述天线辐射单元包括上圆环贴片、下圆环贴片及椭圆形贴片，所述上圆环贴片与下圆环贴片的顶部连接，所述椭圆形贴片位于下圆环贴片内部，且与下圆环贴片顶部连接，所述共面波导馈电结构由地板及设置在地板中间位置的50Ω微带线构成，所述人工磁导体结构由人工磁导体介质基板、周期性排列的圆形贴片单元及刻蚀在人工磁导体介质基板背面的金属地板构成，所述周期性排列的圆形贴片单元刻蚀在人工磁导体介质基板的正面，所述天线辐射单元及共面波导馈电结构刻蚀在柔性介质基板的同一面。

所述上圆环贴片的内环半径为1.6mm，宽度为1mm,下圆环贴片的内环半径为11mm，宽度1.5mm。

所述圆形贴片单元由圆环贴片及位于圆环贴片内部的第三圆形贴片构成，所述第三圆形贴片与圆环贴片为同心圆。

所述50Ω微带线距离两侧地板的距离为0.05mm，所述50Ω微带线与下圆环贴片的底部连接。

所述圆环贴片的外环半径为32.5mm，第三圆形贴片的半径为17.5mm，所述第三圆形贴片与圆环贴片的内环距离为2mm。

本发明的有益效果：

(1)一般多辐射枝节是实现多频带天线的关键，该发明利用一个大圆环作为主辐射枝节，实现了双频工作，结构简单，避免了复杂枝节的使用；

(2)由于人工磁导体的同向辐射作用，相比现有采用理想导体作为反射板的天线，该天线具有低剖面特性。加载人工磁导体的天线放在人体上时，其低频段(2.4-2.48GHz)与高频段(5.725-5.85GHz)的平均增益分别达到了11.8dBi和8dBi。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；

(3)人工磁导体单元通过一个外部的圆环贴片和一个内部的圆形贴片实现了双频特性，相比于常见的方形结构单元，其尺寸更小，利于天线的小型化设计。调节圆环贴片以及圆形贴片的半径就能调节反射板在相应频点处的反射相位；

(4)加载人工磁导体结构的双频环形印刷单极子天线具有柔性、双频、低剖面、高增益、定向辐射等特征，易与人体共形，同时，该天线具有较低的背向辐射，降低了天线对人体的辐射。

附图说明

图1是本发明的结构及参数示意图；

图2(a)是人工磁导体结构示意图，图2(b)是圆形贴片单元的结构示意图；

图3是本发明在自由空间及人体上的S11示意图；

图4(a)是本发明在频率为2.45G时在自由空间与人体的上的XOY平面辐射方向图；

图4(b)是本发明在频率为2.45G时在自由空间与人体的上的YOZ平面辐射方向图；

图4(c)是本发明在频率为5.8G时在自由空间与人体的上的XOY平面辐射方向图；

图4(d)是本发明在频率为5.8G时在自由空间与人体的上的YOZ平面辐射方向图。

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，一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，包括天线辐射单元、共面波导馈电结构、人工磁导体结构和柔性介质基板6，所述天线辐射单元是由上、下两个半径不同的圆环贴片及椭圆形贴片3构成的，所述共面波导馈电线由地板5及设置在地板中间位置的50Ω微带线4构成，所述50Ω微带线与下圆环贴片的底部连接，所述人工磁导体结构由人工磁导体介质基板9、周期性排列的圆形贴片单元及刻蚀在人工磁导体介质基板背面的金属地板10构成，所述周期性排列的圆形贴片单元刻蚀在人工磁导体介质基板9的正面，所述天线辐射单元及共面波导馈电结构刻蚀在柔性介质基板6的同一面。

所述下圆环贴片起主要的双频辐射作用，通过引进上圆环贴片2来调节天线在高频(5.725-5.85GHz)的谐振点，同时通过添加与下圆环贴片1相接的椭圆形贴片3来调节高频段的阻抗匹配。

如图2(a)、图2(b)所示，所述每个圆形贴片单元由圆环贴片8及位于圆环贴片内部的第三圆形贴片7构成，所述第三圆形贴片7与圆环贴片为同心圆，所述圆形贴片单元的外部大圆环控制低频段的同向反射相位，内部的第三圆形贴片控制高频段的同向反射相位。

人工磁导体结构加载在双频环形印刷单极子天线的正下方，所述双频环形印刷单极子天线包括天线辐射单元、共面波导馈电结构及柔性介质基板，在双频印刷单极子天线和人工磁导体结构中间加乙烯-醋酸乙烯酯泡沫来避免因两者直接接触而导致的天线阻抗失配。乙烯-醋酸乙烯酯泡沫的相对介电常数为1.17，电损耗角为0.04，厚度为2mm。

所述天线辐射单元中，上圆环贴片2的内环半径r2为1.6mm，宽度d2为1mm，下圆环贴片1的内环半径r1为11mm，宽度d1为1.5mm，椭圆形贴片3的短轴ra为2mm，长轴rb为4mm，50Ω微带线4的宽度d为3.5mm，地板5的长度L1为16.8mm，地板的宽度W1为12mm，50Ω微带线与地板间的缝隙g为0.5mm。柔性介质基板6采用Panasonic R-F770材料，其相对介电常数为3.2、电损耗角为0.002。柔性介质基板的长度L为47.5mm，宽度W为28.5mm，厚度h为0.05mm。

如图2(a)、图2(b)所示，所述人工磁导体结构由人工磁导体介质基板9、周期性排列的圆形贴片单元及刻蚀在人工磁导体介质基板背面的金属地板10构成，所述周期性排列的圆形贴片单元刻蚀在人工磁导体介质基板9的正面，人工磁导体结构的正面是由3×3的圆形贴片单元周期性排列而成的方形结构，背面是金属地板，人工磁导体介质基板9是柔性乙烯基(vinyl)塑料。人工磁导体结构的长度L1为102mm。圆形贴片单元由圆环贴片及位于内部的第三圆形贴片构成。通过在天线的正下方加载双频人工磁导体结构，减少了天线的背向辐射，同时增大了天线的正向增益。圆形贴片单元的外部大圆环贴片产生低频段的同向反射相位，内部的第三圆形贴片产生高频段的同向反射相位。通过调节外部圆环贴片的外半径R1，内部圆形贴片的半径R2以及圆环贴片和圆形贴片的间隔距离S，实现了低频的中心频率2.45GHz和高频的中心频率5.8GHz处的0°反射相位。所述圆环贴片的外半径R1为32.5mm，内部圆形贴片的半径R2为17.5mm，内部圆形贴片和外部圆环贴片的间隔S为2mm。柔性vinyl基板相对介电常数为2.5、电损耗角为0.002圆形贴片单元采用的柔性vinyl基板为正方形，边长Lm为34mm，厚度h1为1.7mm。

如图4(a)～4(d)及图3所示，加载人工磁导体结构的双频环形印刷单极子天线在自由空间和人体上具有较低的背向辐射，降低了天线对人体的辐射影响。

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 (5)

1.一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，其特征在于，包括双频环形印刷单极子天线及人工磁导体结构，所述人工磁导体结构位于双频环形印刷单极子天线的正下方，所述双频环形印刷单极子天线包括天线辐射单元、共面波导馈电结构和柔性介质基板，所述天线辐射单元包括上圆环贴片、下圆环贴片及椭圆形贴片，所述上圆环贴片与下圆环贴片的顶部连接，所述椭圆形贴片位于下圆环贴片内部，且与下圆环贴片顶部连接，所述共面波导馈电结构由地板及设置在地板中间位置的50Ω微带线构成，所述人工磁导体结构由人工磁导体介质基板、周期性排列的圆形贴片单元及刻蚀在人工磁导体介质基板背面的金属地板构成，所述周期性排列的圆形贴片单元刻蚀在人工磁导体介质基板的正面，所述天线辐射单元及共面波导馈电结构刻蚀在柔性介质基板的同一面。

2.根据权利要求1所述的一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，其特征在于，所述上圆环贴片的内环半径为1.6mm，宽度为1mm,下圆环贴片的内环半径为11mm，宽度1.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，其特征在于，所述圆形贴片单元由圆环贴片及位于圆环贴片内部的第三圆形贴片构成，所述第三圆形贴片与圆环贴片为同心圆。

4.根据权利要求1所述的一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，其特征在于，所述50Ω微带线距离两侧地板的距离为0.05mm，所述50Ω微带线与下圆环贴片的底部连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于体域网的加载人工磁导体结构的双频天线，其特征在于，所述圆环贴片的外环半径为32.5mm，第三圆形贴片的半径为17.5mm，所述第三圆形贴片与圆环贴片的内环距离为2mm。