CN104868243A - 一种工作模式可切换的双频段可穿戴天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工作模式可切换的双频段可穿戴天线，属于天线技术领域。本发明采取的技术方案是：上下两层介质基片，辐射贴片位于上层基片上表面，接地板位于下层基片下表面，辐射贴片和接地板之间由分段金属化通孔连接，金属辐射贴片的左右两侧具有对称分布的矩形槽，分段金属化通孔由一段导体条带连接，天线采用同轴探头直接馈电，同轴内导体从接地板延伸到辐射贴片，在馈电点周围刻蚀一圈圆形槽用以增加感性电抗便于阻抗匹配。本发明主要解决了现有技术中的可穿戴式天线不能满足人们对其小型化、集成化、便于穿戴的要求的问题。

Description

一种工作模式可切换的双频段可穿戴天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种工作模式可切换的双频段可穿戴天线。

背景技术

近年来，随着移动通信技术的发展，极大的改善了人们的用户体验，许多新技术的应用颠覆了人们对于传统通信方式的认知。随着人们身上携带的电子设备越来越多，如何让分布在人体各个位置的电子设备实现互联，形成一个高效工作的系统，从而实现特定的功能，逐渐成为研究的热点，人体中心通信系统便应运而生。人体中心通信系统是以人体为中心，构建一个系统网络，使得分布在人体各个位置的电子设备实现互联，从而实现特定的功能。在人体中心通信系统的研究中可穿戴天线是一个重要的研究方向，可穿戴天线是在传统天线的基础上，开发出的可集成在衣服中或者佩戴在人体某个部位的天线，在制作过程中运用了特殊的结构、材料或工艺。

根据工作模式不同，可穿戴天线可支持体表和体外模式通信，现在大多数可穿戴天线都只能支持单一工作模式，要实现多个通信模式就需要多个天线，这样就带来了设备体积增大、多个天线同时工作时电磁兼容等问题。因此，发明一种体积小、结构简单、能实现工作模式切换的可穿戴天线具有实用价值，具有这样功能的天线在一些特定的应用场合是非常需要的，比如远程医疗监护、火灾救援、个人娱乐、单兵作战系统等。

现有技术中存在一种工作模式可切换的可穿戴天线，如图1所示，天线由上中下三层组成，从上到下依次是上层贴片、下层贴片、馈电微带线。馈电微带线与上中两层的馈电探针相连，通过一个单刀双掷射频开关切换馈电路径实现两种通信模式之间的切换。当由探针1馈电时，放置在馈电探针两侧的短路针使天线地与辐射贴片之间的切向电场产生零点，激励起高阶的谐振模式，产生与单极子类似的全向辐射方向图。可通过调整短路针与馈电探针之间的距离来调节谐振频率。当由探针2馈电时天线工作于体外通信模式，天线相当于由探针背馈的微带贴片天线，天线拥有垂直人体表面向外的单向辐射方向图，实现了方向图的重构。但是，该天线采用多层结构，导致天线剖面较高，而且在实现工作模式切换时采用单刀双掷射频开关切换馈电路径的方式，增加了天线结构的复杂程度。

现有技术中存在另一种工作模式可切换的可穿戴天线，如图2所示，该天线由两个端口分别馈电以实现在2.4GHz频段工作于体外通信模式，在5.8GHz频段工作于体表工作模式。如图2所示，当由端口1馈电时，天线如水平极化的圆形贴片天线，拥有垂直人体表面向外的单向波束；当由端口2馈电时，天线如一个垂直极化的圆顶加载单极子天线，拥有沿人体表面的全向辐射波束，从而实现两个通信模式之间的切换。该天线拥有良好的阻抗匹配，两个端口之间利用一个带阻滤波器能实现很好的隔离。但是，该天线通过双端口不同的馈电方式，使顶层圆形贴片激励起不同的模式来实现通信模式的切换，从而使得天线尺寸较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、便于集成于衣服的工作模式可切换的双频段可穿戴天线，主要解决现有技术中体积过大、工作模式单一、结构复杂、多天线电磁兼容的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种工作模式可切换的双频段可穿戴天线，其结构如图3、图4、图5所示，包括介质基片、接地板、辐射贴片及两条导体条带，所述介质基片由上、下层介质基片构成，所述接地板位于下层介质基片的下表面，辐射贴片位于上层介质基片的上表面；所述导体条带位于上、下层介质基片之间并与上层介质基片下表面及下层介质基片上表面紧密贴合；所述两条导体条带的一端分别通过一个金属化过孔与辐射贴片连接，二者另一端分别通过一个金属化过孔与接地板连接；

通过调节导体条带长度及辐射贴片与导体条带的连接位置，可以调节低频谐振点而高频谐振点无变化；通过调节辐射贴片上矩形槽的长度，可以调节高频谐振点而低频谐振点不受影响。

所述辐射贴片的外形为圆形或方形。

进一步的，所述上、下层介质基片的尺寸、介电常数均相同。

进一步的，辐射贴片的左右两侧开有形状大小相同并关于辐射贴片中心呈对称分布的矩形槽，用以增加电流的有效路径，从而降低天线高频谐振频率即减小天线尺寸。

进一步的，所述激励贴片的馈电方式为同轴背馈，同轴传输线内导体从接地板穿过介质基片延伸到金属辐射贴片；在馈电点周围刻蚀有一圈环形缝隙，该环形缝隙所引入的容性电抗可以减小探针的感性电抗，使天线更容易进行阻抗匹配，从而展宽阻抗带宽。

相较于现有技术，本发明的技术特点和有益效果是：

(1)本发明可实现两种工作模式切换，使得原本需要两副天线分别实现两种工作模式的设备可由一副天线替代，减少了天线数量，避免了使用多天线同时工作时的电磁兼容问题，本发明减小了体积，达到了集成化的效果；

(2)本发明通过调节连接分段接地金属化过孔的导体条带长度，可以调节低频谐振点而高频谐振点无变化，通过导体条带将金属化过孔的有效长度增大，有效的控制了天线的剖面高度；通过调节辐射贴片上矩形槽的长度，可以调节高频谐振点而低频谐振点不受影响，通过在辐射贴片上开矩形槽，增加了辐射贴片表面电流的有效路径，从而起到减小天线尺寸的效果；因此，分别调节导体条带和矩形槽，可以相对独立的控制天线的低频和高频工作频率，使得天线在低频和高频分别工作在体表和体外通信模式；

(3)本发明通过优化天线结构、采用合适的材质，在实现便于穿戴及小型化的同时提高了天线的性能，并通过巧妙构型，使其能作为一枚纽扣集成到衣服中，相对于直接贴于衣服上的微带可穿戴天线来说，钮扣形状的天线能提供特别的优势；钮扣天线不需要与人体共形，而且不容易弯曲，避免了因为人体的运动而发生形变，影响其辐射特性，性能更加稳定；

(4)本发明通过简单的结构、采用常见的材料，在保证性能的前提下，简化了加工工艺，降低了生产成本，具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为第一种工作模式可切换的可穿戴天线的结构图；

图2为第二种工作模式可切换的可穿戴天线的结构图；

图3为本发明的透视结构示意图；

图4为本发明的俯视图；

图5为本发明的侧视图；

图6为本发明实施例的反射系数仿真曲线图；

图7为本发明实施例的方向图仿真结果；

其中，1为介质基片，2为辐射贴片，3为分段接地金属化过孔，4为导体条带，5为馈电点，6为环形缝隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例

一种工作模式可切换的双频段可穿戴天线，如图3、图4、图5所示，包括圆形介质基片1、接地板、圆形辐射贴片2，圆形介质基片1由上下两层尺寸相同的介质基片构成，接地板位于圆形介质基片1下层基片的下表面，辐射贴片2位于圆形介质基片1上层基片的上表面；其中，辐射贴片2的外形为圆形，位于圆形介质基片1上层基片的中心处，辐射贴片2的左右两侧开有形状大小相同呈对称分布的矩形槽。

通过在距辐射贴片2的圆心适当距离处加载分段接地金属化过孔3，使得辐射贴片2能够激励起TM₀₁模，产生类似于单子的辐射方向图。将金属化过孔分段接地可以方便的调节低频的谐振频率，低频谐振频率随导体条带4的增长而降低，而对高频谐振频率的影响较小。选择适当的馈电点5能够使辐射贴片2激励起基模TM₁₁模，形成沿辐射贴片2法向方向的单向辐射方向图。在圆形贴片上开矩形槽，是为了增加电流的有效路径，从而降低天线高频谐振频率即减小天线尺寸。分别调节导体条带和矩形槽，可以相对独立的控制天线的低频和高频工作频率，使得天线在低频和高频分别工作在体表和体外通信模式。

在辐射贴片2的中心左右两侧加载了分段接地金属化过孔3，分段接地金属化过孔3分为上下两段，通过位于两层圆形介质基片之间的导体条带4连接，分段接地金属化过孔3的上部与辐射贴片2相连，分段接地金属化过孔3的下部与接地板相连。

所述两条导体条带关于圆形辐射贴片圆心呈中心对称排布，二者分别位于辐射贴片的两个矩形槽的正下方。

进一步的，所述激励辐射贴片2的馈电方式为同轴背馈，同轴传输线内导体从接地板通过介质基片延伸到金属辐射贴片。激励辐射贴片2的馈电点5位于辐射贴片2中心下侧，在馈电点周围刻蚀有一圈圆形缝隙6，圆形缝隙6的作用是改善天线输入阻抗匹配。

上述技术方案中，圆形介质基片1由两层FR-4材料制作而成，半径为12.5毫米，每一层厚度为1毫米，相对介电常数为4.4；接地板与介质基片1大小相同；辐射贴片2半径为5.5毫米；金属辐射贴片2中的矩形槽的长度为3.2毫米，宽度为1毫米；金属辐射贴片2中的圆形缝隙6内径为0.85毫米，外径为0.95毫米；分段接地金属化过孔3半径为0.2毫米；导体条带4的长度为5毫米，宽度为0.2毫米。

此天线采用50Ω同轴电缆馈电，同轴电缆通过SMA接头与通信设备相连，SMA是一种广泛应用于微波领域的连接器。

图6是由三维电磁仿真软件HFSS仿真得到的反射系数曲线，可见天线有两个工作频带，中心频率分别为2.45GHz和5.8GHz，由反射系数曲线可看出天线在工作频带阻抗匹配良好。图7中(a)和(b)分别是天线在谐振点2.45GHz的E面和H面辐射方向图，由图可知天线在该频段拥有类似于单极子那样全向的方向图，满足体表通信的需要，天线工作于体表通信模式。图7中(c)和(d)分别是天线在谐振点5.8GHz的E面和H面辐射方向图，有图可知天线在该频段是单向辐射，最大辐射方向沿法线方向，满足体外通信的需要，天线工作于体外通信模式。

Claims (6)

1.一种工作模式可切换的双频段可穿戴天线，包括介质基片、接地板及辐射贴片，所述介质基片由上、下层介质基片构成，所述接地板位于下层介质基片的下表面，辐射贴片位于上层介质基片的上表面，其特征在于，还包括两条导体条带，所述导体条带位于上、下层介质基片之间并与上层介质基片下表面及下层介质基片上表面紧密贴合；所述两条导体条带的一端分别通过一个金属化过孔与辐射贴片连接，二者另一端分别通过一个金属化过孔与接地板连接。

2.根据权利要求1所述的工作模式可切换的双频段可穿戴天线，其特征在于，所述上、下层介质基片的尺寸、介电常数均相同。

3.根据权利要求1所述的工作模式可切换的双频段可穿戴天线，其特征在于，所述天线的馈电方式为同轴背馈，同轴传输线内导体从接地板穿过介质基片延伸到金属辐射贴片。

4.根据权利要求3所述的工作模式可切换的双频段可穿戴天线，其特征在于，在馈电点周围刻蚀有一圈环形缝隙。

5.根据权利要求1所述的工作模式可切换的双频段可穿戴天线，其特征在于，辐射贴片的左右两侧开有形状、大小相同并关于辐射贴片中心呈对称分布的矩形槽。

6.根据权利要求5所述的工作模式可切换的双频段可穿戴天线，其特征在于，所述辐射贴片为圆形贴片；所述两条导体条带关于圆形辐射贴片圆心呈中心对称排布，二者分别位于辐射贴片的两个矩形槽的正下方。