CN105140636A - 一种可穿戴全向/定向方向图可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴全向/定向方向图可重构天线，所述天线由天线阵列及其馈电网络层、双稳态复合材料基板、跳变驱动器及接地板构成，其中：天线阵列及其馈电网络位于双稳态复合材料基板的上层，跳变驱动器埋入到双稳态复合材料基板的中间层，接地板位于双稳态复合材料基板的最下层。本发明利用双稳态复合材料基板的两种稳定构型实现天线方向图全向/定向可重构，两种稳定构型的转换可通过跳变驱动器实现；与现有可穿戴天线相比，结构设计简单，易于人体共形，且方向图可重构，具有多功能性，可用于个人可穿戴移动通信及野外恶劣环境通信领域。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种可穿戴全向/定向方向图可重构天线。
背景技术
可穿戴天线是以人体为载体的天线，其在医学、个人移动通信、单兵作战通信系统中的得到了广泛的应用。为了使可穿戴天线正常工作而不受人体姿态和运动的影响，要求可穿戴天线在水平面为全向辐射，有利于天线接收信号。但是在某些特殊环境或特殊任务，又要求可穿戴天线能够拆卸并实现定向辐射，这样能够提高天线辐射性能，并且对不需要接受信号的方向起到屏蔽的作用。方向图可重构天线是潜在的可实现这一要求的技术途径。目前，国内外有关方向图可重构天线只能使方向图发生一定角度的偏转，而不是全向/定向方向图可重构天线。CN1937319A提出了一种全向/定向方向图可重构天线，其结构复杂且不能应用在可穿戴天线领域。
发明内容
本发明的目的是实现可穿戴天线方向图全向/定向可重构，提高可穿戴天线的性能以适应不同的环境，使其应用在个人移动通信及野外恶劣环境通信领域，进而提供一种可穿戴全向/定向方向图可重构天线。
本发明的目的是通过以下技术实现的：
一种可穿戴全向/定向方向图可重构天线，包括天线阵列及其馈电网络层、双稳态复合材料基板、跳变驱动器及接地板，其中：天线阵列及其馈电网络位于双稳态复合材料基板的上层，跳变驱动器埋入到双稳态复合材料基板的中间层，接地板位于双稳态复合材料基板的最下层。
本发明中，所述的天线阵列及其馈电网络层、跳变驱动器及接地板均与双稳态复合材料基板一体化固化成型。
本发明中，所述的双稳态复合材料基板具有两种稳定构型：一种为封闭圆柱稳定构型，一种为敞开圆柱稳定构型，实现可穿戴天线方向图的全向/定向可重构。
本发明中，所述的双稳态复合材料基板采用[0n/90n]铺层，从下至上为[90n]层和[0n]层，其中：[90n]层粘接接地板，[0n]层铺设粘接天线阵列及其馈电网络，跳变驱动器埋入到[90n]层和[0n]层之间。n的值由预浸料材料及所需的曲率决定，预浸料材料为玻璃纤维预浸料或其它介质材料预浸料，制备工艺为热压罐工艺。
本发明中，所述的天线阵列及其馈电网络层可以利用印刷技术将天线阵列及馈电网络印刷在薄膜上，然后再与双稳态复合材料基板固化，或将金属层与双稳态复合材料基板共固化，然后利用刻蚀技术制备天线阵列及其馈电网络。
本发明中，所述的天线阵列及馈电网络层由天线单元和与其相连的馈电网络构成，天线单元等间距横向排列在双稳态复合材料基板上层，利用馈电网络实现天线阵列的馈电，其单元个数及单元距离由天线工作频率及双稳态基板的尺寸决定，馈电网络为并联馈电、串联馈电或串并联结合馈电。
本发明中，所述的天线阵列为微带贴片天线阵列，其尺寸与间距由介质基板介电性能、尺寸及天线工作频率决定。原则是：微带贴片等间距的布置在基板上，利用馈电网络实现天线阵列的馈电，当双稳态复合材料基板为圆柱构型时，贴片之间的距离均相同。
本发明中，所述的馈电网络为并联馈电、串联馈电或串并联结合馈电，串联馈电结构紧凑适合对尺寸有限制要求的情况，并联馈电设计简单，串并联结合馈电兼具二者优点，但是其设计更为复杂。因此，馈电方式要结合实际情况选择。
本发明中，所述的跳变驱动器能够驱动双稳态复合材料基板在两种稳定构型下进行跳变，跳变驱动器在双稳态复合材料基板固化前埋入到预浸料中间层。驱动器材料为形状记忆合金、电热合金、压电陶瓷或压电纤维，通过外接电源驱动进行工作。
本发明中，所述的接地板为纯金属材料或导电银浆材料，与双稳态复合材料基板共固化成型，尺寸与基板相同。
本发明具有如下优点：
1、本发明利用双稳态复合材料基板的两种稳定构型实现天线方向图全向/定向可重构，两种稳定构型的转换可通过跳变驱动器实现。
2、天线全部元件均一体化成型，结构设计简单，实用性强。
3、本发明与现有可穿戴天线相比，结构设计简单，易于人体共形，且方向图可重构，具有多功能性，可用于个人可穿戴移动通信及野外恶劣环境通信领域。
附图说明
图1为本发明可穿戴全向/定向方向图可重构天线的三维结构示意图及双稳态构型示意图；
图2为本发明可穿戴全向/定向方向图可重构天线的结构布置示意图；
图3为本发明可穿戴全向/定向方向图可重构天线的天线阵列及并联馈电网络示意图；
图4为本发明可穿戴全向/定向方向图可重构天线的天线阵列及串联馈电网络示意图；
图5为本发明可穿戴全向/定向方向图可重构天线的天线阵列及串并联结合馈电网络示意图；
图6为压电纤维复合材料阵列示意图；
图7为可重构天线在全向辐射及定向辐射时的S参数曲线；
图8为可重构天线在封闭圆柱构型下的方向图曲线；
图9为可重构天线在敞开援助构型下的方向图曲线；
图中：1-天线阵列及其馈电网络层、2-双稳态复合材料基板、3-跳变驱动器、4-接地板、5-SMF阵列、6-电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1-图4所示，本实施方式提供的可穿戴全向/定向方向图可重构天线由天线阵列及其馈电网络层1、双稳态复合材料基板2、跳变驱动器3及接地板4构成，其中：天线阵列及其馈电网络1位于双稳态复合材料基板2的上层，跳变驱动器3埋入到双稳态复合材料基板2的中间层，接地板4位于双稳态复合材料基板2的最下层，所有元件与双稳态复合材料基板一体化固化成型。
本实施方式中，所述天线阵列及馈电网络层1中的天线单元为微带贴片单元，单元尺寸和单元间距由工作频率、双稳态复合材料基板2的材料及尺寸决定，而双稳态复合材料基板2的尺寸由可穿戴实际需求决定。
本实施方式中，所述接地板4为导电纯金属薄膜或导电银浆涂层，其尺寸与双稳态复合材料基板尺寸相同。
本实施方式中，所述的双稳态复合材料基板2为[90n/0n]铺层方式，其具有两种稳定构型，一种为封闭圆柱稳定构型，另一种为敞开圆柱稳定构型。其中，[90n]层铺设层粘接接地板4，[0n]层铺设层粘接天线阵列及其馈电网络层1，n的值由预浸料材料及所需的曲率决定，预浸料材料为玻璃纤维预浸料或其它介质材料预浸料。制备工艺为热压罐工艺。
本实施方式中，所述的跳变驱动器3在双稳态复合材料基板2固化成型前埋入到预浸料的中间层，与双稳态复合材介质基板2共固化成型。跳变驱动器3的材料为形状记忆合金、电热合金、压电陶瓷或压电纤维，通过外接电源进行工作。
本实施方式中，实现全向/定向方向图可重构天线原理是：通过外接电源激励跳变驱动器，双稳态复合材料结构在跳变驱动器的作用下会产生两种稳定构型：一种为封闭圆柱构型，另一种为敞开圆柱构型。在封闭圆柱构型下，天线与人体共形实现可穿戴天线为全向辐射，在敞开圆柱构型下天线为定向辐射。
具体实施方式二：如图3所示，本实施方式与具体实施方式一不同的是：馈电方式采用并联馈电网络。并联馈电所需空间尺寸较大，但是其设计简单，对各个天线单元均能等幅同向馈电。双稳态复合材料预浸料为玻璃纤维预浸料，其单层厚度为0.2mm，采用[0/90]铺层方式，其介电常数为4.9，介电损耗为0.019。其尺寸为103mm×32mm。天线为1×4阵列，工作频率为5.0GHz。
天线阵列由四个相同的矩形贴片单元构型，其间距为25.75mm，恰好等间距的铺设在介质基板上。馈电网络采用一分四等分并联馈电网络，各个单元处相位相同。
跳变驱动器采用压电纤维复合材料（MFC）阵列，通过施加电压，压电纤维阵列会驱动双稳态复合材料基板在其稳定构型之间发生跳变。当双稳态复合材料基板处于封闭圆柱稳定构型时，天线为全向辐射，当双稳态复合材料基板处于敞开圆柱稳定构型时，天线为定向辐射。
由图7可知，天线在两种稳定构型下的S参数均有良好性能。
从图8-9中可以看出，天线在封闭圆柱稳定构型下实现全向辐射，其增益为-0.2dB，不圆度为2.88dB，小于3dB。天线在敞开圆柱稳定构型下实现定向辐射，天线增益为7.2dB，3dB波束宽度为26.1°。
本实施方式通过跳变驱动器驱动双稳态复合材料基板在两种稳定下的跳变，可以实现方向图由全向辐射转向定向辐射。
具体实施方式三：如图4所示，本实施方式与具体实施方式二不同的是：馈电方式采用串联馈电网络，采用串联馈电网络可以减少整个可重构天线的尺寸，在对于尺寸有限制要求的可穿戴应用场合适合使用馈电网络，如可穿戴腰带天线等。
具体实施方式四：如图5所示，本实施方式与具体实施方式一不同的是：馈电方式采用串并联结合馈电网络，串并联结合馈电网络，串并联结合馈电方式既具有并联馈电方式对各个天线单元等幅同向馈电的特点，又有串联馈电方式结构简单，节省馈电网络尺寸的特点。在对天线性能及尺寸具有限制要求的情况下使用。
Claims (10)
1.一种可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述天线由天线阵列及其馈电网络层、双稳态复合材料基板、跳变驱动器及接地板构成，其中：天线阵列及其馈电网络位于双稳态复合材料基板的上层，跳变驱动器埋入到双稳态复合材料基板的中间层，接地板位于双稳态复合材料基板的最下层。
2.根据权利要求1所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述天线阵列及其馈电网络层、跳变驱动器及接地板均与双稳态复合材料基板一体化固化成型。
3.根据权利要求1所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述双稳态复合材料基板具有两种稳定构型：一种为封闭圆柱稳定构型，一种为敞开圆柱稳定构型。
4.根据权利要求3所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述双稳态复合材料基板在封闭圆柱稳定构型时，天线全向辐射；在敞开圆柱稳定构型时，天线定向辐射。
5.根据权利要求1、3或4所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述双稳态复合材料基板采用[0n/90n]铺层，从下至上为[90n]层和[0n]层，其中：[90n]层粘接接地板，[0n]层铺设粘接天线阵列及其馈电网络，跳变驱动器埋入到[90n]层和[0n]层之间。
6.根据权利要求1所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述天线阵列及馈电网络层由天线单元和与其相连的馈电网络构成，天线单元等间距横向排列在双稳态复合材料基板上层，利用馈电网络实现天线阵列的馈电。
7.根据权利要求1或6所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述馈电网络为并联馈电、串联馈电或串并联结合馈电。
8.根据权利要求7所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述天线阵列为微带贴片天线阵列。
9.根据权利要求1或2所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述跳变驱动器的材料为形状记忆合金、电热合金、压电陶瓷或压电纤维。
10.根据权利要求1或2所述可穿戴全向/定向方向图可重构天线，其特征在于所述接地板为电纯金属薄膜或导电银浆涂层。
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