CN105261831B - 一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线 - Google Patents
一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线，包括馈电部分、金属支撑座及辐射体，所述金属支撑座固定在衣物上，所述辐射体构成纽扣的扣体，所述金属支撑座通过馈电部分与辐射体连接，所述辐射体包括介质基板，所述介质基板的上表面包括一端短路另一端开路的环形微带枝节及与环形微带枝节内环连接的矩形微带枝节，所述矩形微带枝节另一端短路，所述矩形微带枝节位于介质基板中心位置；所述介质基板的下表面包括一个圆环，所述圆环与金属支撑座物理接触。本发明在人体表面工作时具有鲁棒性，适用于体表与体外等体域网通信场景以及可穿戴式无线电子设备。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴式无线移动通信领域的天线，特别涉及一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线。
背景技术
随着体域网研究的深入进展，以及信息科技的发展，为了满足社会个体医疗、娱乐、军事、安保等方面的需求，近几年可穿戴式设备得到了大范围的普及。可穿戴式设备体积小，大多需要集成在人们的衣物或穿戴配件上(如手表、手环、眼镜等)，基本通过无线射频的方式进行数据交流。而天线是射频前端的重要组成部分，由于人体组织的作用，人体天线的设计遇到了很大的挑战，需要考虑以下几个方面：一是占用的空间有限，二是人体组织对天线性能的影响，保证人体天线工作的鲁棒性，三是体域网不同的通信场景对天线的性能有不同的要求，四是人体组织对天线辐射电磁波能量的特定吸收率的限制。
而现在大多数人体天线的设计选择直接集成在织物上，以织物作为介质基板，由于人体的作用和织物的褶皱效应，这些人体天线的性能受到很大的影响，工作不稳定，容易发生谐振频偏和失配，辐射方向图发生了很大的改变。现阶段很少有将人体天线与衣物本身的金属部件(如纽扣、拉链等)融为一体的设计，英国有研究人员提出将纽扣作为天线使用，但是其采用的是单极子的方案，整体尺寸较大，并且采用的是柔性织物地板，容易受到人体环境的影响，而且也没有讨论织物的褶皱效应对地板以及天线性能的影响。
另一方面，很少有天线设计考虑到体域网体表和体外两种通信场景的结合。对于体表通信，天线应该采用垂直极化的方式以产生沿人体表面传播的爬行波，减少人体衰落的影响，而且此情境下最好是采用全向辐射的模式；对于体外通信则应减小天线辐射与人体组织的耦合作用，最好采用定向辐射模式以产生相对较高的增益。
而且由于工作在人体表面，人体天线的设计还得考虑人体对天线辐射电磁波能量的特定吸收率，保证电磁辐射安全，这也对人体天线的设计提出了严格的要求。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线。
该发明将人体天线和一般衣物纽扣融合设计，实现了人体可穿戴天线的小型化和低剖面，并且产生两个具有不同辐射模式的工作频段，硬质的支撑座有效抵抗了织物天线褶皱效应带来的性能衰落，在人体表面工作时具有鲁棒性，而且地板结构有效降低了人体对电磁场能量的特定吸收率，适用于体表与体外等体域网通信场景以及可穿戴式无线电子设备。
本发明采用如下技术方案：
一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线，所述双频纽扣天线实现纽扣的功能，包括馈电部分、金属支撑座及辐射体，所述金属支撑座固定在衣物上，所述辐射体构成纽扣的扣体，所述金属支撑座通过馈电部分与辐射体连接，所述辐射体包括介质基板，所述介质基板的上表面包括一端短路另一端开路的环形微带枝节及与环形微带枝节内环连接的矩形微带枝节，所述矩形微带枝节另一端短路，所述矩形微带枝节位于介质基板中心位置；
所述介质基板的下表面包括一个圆环，所述圆环与金属支撑座物理接触。
矩形微带枝节左边缘及环形微带枝节左臂内边缘与金属支撑座下地板共同作用产生一种应用于体表通信极化方向垂直于人体表面的全向辐射模式，矩形微带枝节以及环形微带枝节两端内边缘和金属支撑座上地板共同作用也产生一种应用于体外通信最大辐射在人体法向方向的定向辐射模式。
所述环形微带枝节的臂宽沿着短路端到开路端逐渐增大。
所述馈电部分采用同轴馈电，所述金属支撑座开有通孔，同轴馈电的内导体通过介质基板的通孔连接矩形微带枝节，外导体与金属支撑座相连。
所述金属支撑座为工字型支撑座，且为硬质导电，所述金属支撑座包括上、下地板。
所述金属支撑座是对称或非对称结构，所述对称结构具体为通孔位于金属支撑座中心位置，所述非对称结构为通孔位于非中心位置，当位于非中心位置时，SAR值降低。
本发明的有益效果：
(1)利用衣物原有的金属部件实现人体织物天线，天线设计与衣物纽扣融为一体，可以减小利用布料实现人体织物天线方式的制造难度，增加可穿戴天线与衣物集成的可行性；
(2)纽扣天线工作在ISM 2.45GHz和5.8GHz两个频段，在不同频段具有不同的辐射方向图和极化方式，考虑到了体域网体表和体外两种通信场景的结合。辐射体两个枝节和金属支撑座共同作用产生一种工作于2.45GHz频段的应用于体表通信的全向辐射模式，其极化方向垂直于人体表面，有效覆盖了人体表面区域，减少人体衰落的影响，同时产生了另外一种工作于5.8GHz频段的应用于体外通信的定向辐射模式，其最大辐射在人体法向方向，有效减小了与人体组织的耦合作用；
(3)工字型金属支撑座是硬质导电的，克服了一般织物天线的褶皱效应，保证了天线在人体表面工作的鲁棒性，不易受人体组织对天线性能的影响，在人体环境下保持了较为稳定的阻抗匹配带宽和辐射方向图；
(4)硬质工字型支撑座可以是对称的，也可以是不对称的，不对称的结构可以进一步减小人体对电磁波能量的特定吸收率；
(5)将PIFA结构应用于纽扣天线的设计，与传统单极子方案应用于此场景的设计相比，尺寸由二分之一波长缩减到了四分之一波长，使得应用于体域网通信的纽扣天线尺寸更小，剖面更低。
附图说明
图1是本发明实施例1集成于衣物的结构示意图；
图2是本发明实施例1的示意图，
图3(a)及图3(b)分别是本发明实施例1的辐射体的上表面及下表面结构示意图；
图4(a)及图4(b)分别是本发明实施例1的金属支撑座的主视及俯视结构示意图；
图5是本发明实施例1的S11-频率仿真测试结果图；
图6(a)是本发明实施例1在phi＝0°的2.45GHz的归一化辐射方向图，图6(b)是本发明实施例1在phi＝90°的2.45GHz的归一化辐射方向图；
图7(a)是本发明实施例1在phi＝0°的5.8GHz的归一化辐射方向图；
图7(b)是本发明实施例1在phi＝90°的5.8GHz的归一化辐射方向图；
图8是本发明纽扣天线具体实施例2的结构示意图；
图9(a)是本发明实施例2在2.45GHz下Phi＝0°的辐射方向图；
图9(b)是本发明实施例2在2.45GHz下Phi＝90°的辐射方向图；
图9(c)是本发明实施例2是在5.8GHz下Phi＝0°的辐射方向图；
图9(d)是本发明实施例2在5.8GHz下Phi＝90°的辐射方向图；
图10是本发明纽扣天线具体实施例3的示意图；
图11是本发明纽扣天线具体实施例3的S11-频率仿真测试结果图。
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1
本实施例一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线，如图1所示，具体集成在了牛仔短裤拉链上沿的部位，充当了原本纽扣的功能，同时还作为体域网无线通信的天线模块，将双频纽扣天线12与衣物纽扣融为了一体，可以减小利用布料实现人体织物天线方式的制造难度，增加可穿戴天线与衣物集成的可行性。除此之外，本发明还可以集成在衬衣胸前部位，而且也可以与带纽扣的外套融为一体，而不影响衣物原本的外观功能。
如图2所示，本发明由馈电部分1、金属支撑座2及辐射体3构成，整体高度与衣物纽扣相当，纽扣高度4mm-10mm，剖面低。金属支撑座2用于与衣物固定，辐射体3构成纽扣的扣体，如图3(a)及图3(b)所示，辐射体3采用一定厚度的FR4作为介质基板，其上表面由外围一端短路一端开路的环形微带枝节4和一端短路一端连接环形微带枝节的矩形微带枝节5构成，所述矩形微带枝节5位于介质基板的中心位置，其中环形微带枝节4的臂宽沿着短路端到开路端逐渐增大；
其下表面包括一个圆环，所述圆环与金属支撑座物理接触，所述上、下表面通过环形微带枝节和矩形微带枝节短路端的两个金属化过孔(9、10)相连。
图4(a)及图4(b)所示，金属支撑座具体为工字型硬质支撑座，所述金属材料采用铝合金，中间开有通孔，直径d4，馈电部分通过该通孔馈电给辐射体，实现同轴馈电。工字型金属支撑座包括上、下地板(21、22)，本实施例中上、下地板均为圆形，其中上地板直径为d5，下地板直径为d6，下地板直径小于36mm,矩形微带枝节左边缘6以及环形微带枝节左臂内边缘7和金属支撑座的下地板22共同作用产生一种应用于体表通信极化方向垂直于人体表面的全向辐射模式，有效覆盖了人体表面区域，减少人体衰落的影响。环形微带枝节左臂及右臂内边缘(7、8)位于矩形微带枝节的两侧，所述矩形微带枝节以及环形微带枝节左臂及右臂内边缘(7、8)和金属支撑座的上地板21共同作用也产生了另外一种应用于体外通信最大辐射在人体法向方向的定向辐射模式，有效减小了与人体组织的耦合作用；
所述介质基板中心位置开有圆孔11,馈电部分的内导体通过圆孔11连接辐射体矩形微带枝节5，外导体与支撑座相连，介质填充支撑座通孔。
工字型支撑座是硬质导电的，克服了一般织物天线的褶皱效应，保证了天线在人体表面工作时性能的鲁棒性，不易受人体组织对天线性能的影响，在人体环境下保持了较为稳定的阻抗匹配带宽和辐射方向图，人体组织的影响有限，这为纽扣天线的实际应用打下了良好的基础。参照图5，本发明实施例1仿真与测试的结果较为吻合，测试结果有频偏，这可能是具体的加工误差和板材相对介电常数误差所致。另外由于采用了FR4板材，在高频段的损耗正切角会变大导致了高频段阻抗匹配没有仿真结果理想。
参阅图6(a)、图6(b)，辐射体与工字型支撑座的下表面地板产生低频谐振点，形成最大辐射方向沿人体表面的全向辐射方向图，并且GTheta占据主要的地位，要比GPhi大10dB以上，故该全向辐射方向图是沿人体表面垂直极化的，这有效覆盖了人体表面区域，减少人体衰落的影响，适用于体域网体表通信的场景。
参阅图7(a)、图7(b)，辐射体与工字型支撑座的上表面地板产生高频谐振点，形成最大辐射方向沿人体法向的定向辐射方向图，此时也是线极化的极化方式，适用于体域网体外通信的场景。
实施例2
如图8，本发明纽扣天线的具体实施例2与具体实施例1相比，做出了以下改变，工字型金属支撑座下地板直径变大，而且采用不对称结构，馈电部分与金属支撑座连接点距离下地板中心往右边偏移了一定的距离。另外辐射体采用性能更加稳定的罗杰斯4003板材(RO4003)，辐射体整体结构不变但是具体参数需要微调优化。
在人体模型和自由空间的辐射方向图对比如图9(a)、图9(b)、图9(c)及图9(d)，可见在人体组织的实际工作环境中，人体的作用使得纽扣天线的辐射方向图发生了变化，人体组织的吸收作用使辐射方向图后瓣减小。在低频段人体反射作用强于吸收作用，使得辐射增益略微增加1dB左右，在高频段人体反射作用弱于吸收作用，使得辐射增益略微下降2dB左右。但是在人体模型上的仿真结果表明，纽扣天线在实际应用中并不会改变极化方向，同时保持了在低频段全向辐射的特性和在高频段定向辐射的特性，这说明本发明纽扣天线的鲁棒性得到了验证。
实施例3
采用了罗杰斯板材，在工字型硬质金属支撑座上同样采用偏置不对称结构，整个纽扣天线高度有所减小，剖面更低，同时为了方便测试改变了馈电结构。同时为减小实际情况下人体对电磁波能量的吸收率SAR值，支撑座下地板的半径有所增大，参照图10。参照图11，具体实施例3仿真测试结果说明反射系数十分吻合，验证了纽扣天线的可行性。参照表格1，具体实施例3在人体模型工作时，仿真得到的最大特定吸收率SAR值在两个谐振频点下都满足美国与欧盟的标准，验证了纽扣天线的实用性。
表1
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 (4)
1.一种应用于体域网通信可集成于衣物的双频纽扣天线，其特征在于，所述双频纽扣天线实现纽扣的功能，包括馈电部分、金属支撑座及辐射体，所述金属支撑座固定在衣物上，所述辐射体构成纽扣的扣体，所述金属支撑座通过馈电部分与辐射体连接，所述辐射体包括介质基板，所述介质基板的上表面包括一端短路另一端开路的环形微带枝节及与环形微带枝节内环连接的矩形微带枝节，所述矩形微带枝节另一端短路，所述矩形微带枝节位于介质基板中心位置；
所述介质基板的下表面包括一个圆环，所述圆环与金属支撑座物理接触；
矩形微带枝节左边缘及环形微带枝节左臂内边缘与金属支撑座下地板共同作用产生一种应用于体表通信极化方向垂直于人体表面的全向辐射模式，其中环形微带枝节左臂为其开路端所在一侧，矩形微带枝节左边缘为矩形微带枝节与环形微带枝节内环连接处靠近环形微带枝节左臂一侧；
矩形微带枝节以及环形微带枝节两端内边缘和金属支撑座上地板共同作用也产生一种应用于体外通信最大辐射在人体法向方向的定向辐射模式；
介质基板上下表面通过环形微带枝节和矩形微带枝节短路端的两个金属化过孔相连，所述金属支撑座位工字硬质支撑座，中间开有通孔，馈电部分通过该通孔馈电给辐射体，工字型支撑座包括上、下地板。
2.根据权利要求1所述的双频纽扣天线，其特征在于，所述金属支撑座是对称或非对称结构，所述对称结构具体为通孔位于金属支撑座中心位置，所述非对称结构为通孔位于非中心位置，当位于非中心位置时，SAR值降低。
3.根据权利要求1所述的双频纽扣天线，其特征在于，所述环形微带枝节的臂宽沿着短路端到开路端逐渐增大。
4.根据权利要求2所述的双频纽扣天线，其特征在于，馈电部分采用同轴馈电，同轴馈电的内导体通过介质基板的通孔连接矩形微带枝节，外导体通过金属支撑座的通孔与金属支撑座相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180227 |