CN106374217A - 一种用于可穿戴式无线系统的拉链天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于用于可穿戴式无线系统的拉链天线，包括设于用于人体穿戴的物件上的拉链以及与所述拉链连接的馈电端；所述拉链的材质为金属材质；所述馈电端包括同轴接头以及设置在所述同轴接头上且与所述拉链连接的探针。本发明的用于可穿戴式无线系统的拉链天线结构精简；采用衣服上的金属拉链作为辐射体，具有一定的电磁辐射能力和方向图特性，既具有携带方便的效果，又能实现电磁能量在空中的分布(作为发射天线用)或完成从空中某区域捕获电磁信号和能量的任务(作为接收天线用)，实用性强。

Description

一种用于可穿戴式无线系统的拉链天线

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，具体涉及一种用于可穿戴式无线系统的拉链天线。

背景技术

现有技术中，常见的无线系统包括雷达、通信、导航等，其天线通常是金属材质，或金属与固体介质的混合结构。在可穿戴领域，国内外近年来相关天线实现途径主要包括以下几方面：

一、含银纳米线的小型化平面天线，首先使用模板将银纳米线排列为特定的图案，然后铺上一层液体聚合物，待聚合物凝固后，形成包含预期图案的弹性材料，该图案材料能构成带贴片天线的辐射组件，通过调整其形状，控制天线工作频率。

二、金属钮扣或金属皮带扣天线。尺寸小，具有一定的辐射能力，对于波长较长、频率较高的系统，其电尺寸才有优势。

三、标志天线。主要是以箱包、衣服上的标志(logo)作为天线实现可穿戴系统的信号辐射和接收，比如韩国2015年发表的路易威登LV形状的天线，使用具有一定导电性的材料替代原始布艺材料，加工制作LV标志，保持商标形状和尺寸不变。还有人研究使用苹果(Apple)公司的带缺口的苹果形状的结构作为天线，应用纤维质材料，也获得了一定的辐射和接收能力。

四、金属材料的变形振子天线、环天线等，尺寸很小，做到系统中，跟目前主流的手机天线类似，通常比手机天线更小。

现有技术中应用的天线均存在不足，具体是：布料织物天线的不足，主要是由于其导电性弱，导致辐射能力弱，辐射增益低，效率低，能量损失较大；变形振子天线和环天线，以及钮扣天线和皮带扣天线，有个共同特点是物理尺寸小，电尺寸受限，辐射方向性较弱，辐射和接收无线电能量不够集中。

综上所述，急需一种结构精简、携带方便且具有一定电磁辐射能力和方向图特性的天线以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构精简、携带方便具有较强的电磁辐射能力和较好的方向图特性且自然可重构的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，具体技术方案如下：

一种用于可穿戴式无线系统的拉链天线，包括设于用于人体穿戴的物件上的拉链以及与所述拉链连接的馈电端；

所述拉链的材质为金属材质；

所述馈电端包括同轴接头以及设置在所述同轴接头上且与所述拉链连接的探针。

为了达到更好的技术效果，所述馈电端还包括微带介质基板，所述同轴接头垂直贯穿所述微带介质基板设置。

以上技术方案中优选的，所述微带介质基板的材质为FR-4，其介电常数为4.3，其长×宽×厚为100mm×70mm×1.2mm。

以上技术方案中优选的，所述馈电端设置在所述拉链的中部、底端的顶面、底端的底面以及底端的侧面中的至少一处。

以上技术方案中优选的，所述同轴接头通过插入所述拉链的方式与所述拉链进行连接，或者是所述同轴接头通过沾粘部件与所述拉链进行连接。

以上技术方案中优选的，所述拉链的长度为68cm。

以上技术方案中优选的，所述拉链拉合的方向为人体站立时的由下至上方向。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明的用于可穿戴式无线系统的拉链天线包括设于用于人体穿戴的物件上的拉链以及与所述拉链连接的馈电端；所述拉链的材质为金属材质；所述馈电端包括同轴接头以及设置在所述同轴接头上且与所述拉链连接的探针。本发明的用于可穿戴式无线系统的拉链天线结构精简；采用衣服上的金属拉链作为辐射体，具有一定的电磁辐射能力和方向图特性，既具有无需单独安装、携带方便的效果，又能实现电磁能量在空中的分布(作为发射天线用)或具备从空中某区域捕获电磁信号和能量的功能(作为接收天线用)，实用性强。

(2)本发明中所述馈电端还包括微带介质基板，所述同轴接头垂直贯穿所述微带介质基板设置。该微带介质基板用于进行辅助馈电；所述微带介质基板的材质为FR-4，其介电常数为4.3，其长×宽×厚为100mm×70mm×1.2mm，在实际应用时，该微带介质基板可以减小尺寸或放大尺寸或取消此部件，微带介质基板主要影响天线的前后辐射能力之比以及最大增益的具体数值，但不会引起技术指标和性能的严重降低。

(3)本发明中所述馈电端设置在所述拉链的中部、底端的顶面、底端的底面以及底端的侧面中的至少一处，位置差别主要影响阻抗匹配性能和工作频率的高低，可满足不同的需求；所述同轴接头与所述拉链的连接方式也有多种，如插入式接触连接以及通过沾粘部件进行沾粘连接，便于安装、检修和拆卸。

(4)本发明中所述拉链的长度为68cm，所述拉链拉合的方向为人体站立时的上下方向，可实现对人体周围的前上方空间进行覆盖，其尺寸的选择能够满足常用无线电系统的基本需求，详情是：使用前，保持拉链全拉合或对拉链由下至上或由上至下拉开某种程度，或者全部拉开，天线均具有一定的电磁辐射能力。拉链的拉合程度对于天线的阻抗匹配特性存在轻微的影响，主要影响反射系数的具体数值，而几乎不会引起工作频率漂移。而天线的辐射方向图特性与拉开程度直接相关。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的用于可穿戴式无线系统的拉链天线的局部结构示意图；

图2为实施例1中拉链天线与单极子天线二维极坐标方向图比较；

图3为实施例1中拉链拉开四分之一、拉开一半和全拉开情况下拉链天线的二维极坐标方向图；

图4为信号输入馈电的激励端位于拉链端头下方时拉链天线的仿真和实测反射系数曲线；

图5为信号输入馈电的激励端置于拉链右边第一个梳齿时天线的仿真和实测反射系数曲线；

图6为信号输入馈电的激励端分别置于拉链左边梳齿(第一个)、右边梳齿(第一个)、拉链端头上表面和侧面时天线的反射系数实测数据；

图7为拉链天线方向图的仿真计算结果与实测数据二维极坐标方向图对比；

其中，1、拉链，2、馈电端，2.1、同轴接头，2.2、探针，2.3、微带介质基板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1(图上方的两排省略点代表此图以上部分未画出)，一种用于可穿戴式无线系统的拉链天线，包括设于用于人体穿戴的物件上的拉链1以及与拉链1连接的馈电端2。

所述拉链1的材质为金属材质，即为现有技术中常规的金属拉链。

所述馈电端2包括同轴接头2.1、设置在所述同轴接头2.1上且与所述拉链连接的探针2.2以及微带介质基板2.3，所述同轴接头2.1垂直贯穿所述微带介质基板2.3设置。所述微带介质基板2的材质为FR-4，其介电常数为4.3，其长Lg×宽×厚Ts为100mm×70mm×1.2mm。

图1为所述馈电端2设置在所述拉链底端的底面时的示意图，还可以根据实际情况选择所述馈电端设置在所述拉链的中部、底端的顶面或底端的侧面，此处的底端具体指拉合的起始部位。

所述同轴接头2.1通过插入所述拉链1的方式与所述拉链1进行连接。还可以根据实际情况采用以下连接方式：所述同轴接头2.1通过沾粘部件与所述拉链1进行连接。

所述拉链1的长度为68cm，且所述拉链1拉合的方向为人体站立时的由下至上方向。

所述拉链的梳齿间距、梳齿长度、拉链端头长宽和厚度等尺寸，在市场上现有服装拉链产品的参数下，数值为1mm-10mm量级，均可以获得有效的天线阻抗匹配和辐射方向性，区别在于谐振频率、反射系数、特定方向上的增益等具体数值，具体尺寸根据实际需求进行相应设计即可，总体上此些金属拉链均可应用。

鉴于拉链是实现已固定尺寸，为调整拉链天线的谐振工作频率，可根据具体系统需求，设计单独的阻抗变换段，完成从馈电端到拉链的阻抗过渡，实现天线的良好匹配性能。

针对本实施例的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，在微波暗室进行用于可穿戴式无线系统的拉链天线方向图测试，主要仪器为德科技Keysight公司生产的9717A便携式矢量网络分析仪，配合超宽带对数周期天线(30MHz-18GHz)和水平单轴转台，完成电压驻波比、方向图等技术指标测试，分别获得水平和垂直极化方向性数据。对数周期天线架设于矢量网络分析仪处，作为发射端；拉链天线放置于转台上，作为接收端，两天线距离5m，高度一致，通过测控软件控制仪器发射信号并读取网络分析仪的S参数。测试带宽为30MHz-8GHz，详情如下：

图2为拉链天线与单极子天线二维极坐标方向图比较；图3为拉链拉开四分之一、拉开一半和全拉开情况下拉链天线的二维极坐标方向图；图4为信号输入馈电的激励端位于拉链端头下方时拉链天线的仿真和实测反射系数曲线；图5为信号输入馈电的激励端置于拉链右边第一个梳齿时天线的仿真和实测反射系数曲线；图6为信号输入馈电的激励端分别置于拉链左、右第一梳齿、拉链端头上表面和侧面时天线的反射系数实测数据；图7为拉链天线方向图的仿真计算结果与实测数据二维极坐标方向图对比。

结合图2-图7，总体来说，天线反射系数和水平、垂直极化方向图(三维方向图和二维极坐标方向图均吻合很好，此处只图示二维极坐标方向图)的实测数据与仿真计算结果吻合较好，验证了拉链天线的有效性。

在阻抗匹配特性方面，当馈电点置于拉链下方端头下部时，谐振频率有两个，高频段为主谐振，频率为7.6GHz；低频段为次谐振，频率为3.0GHz。当馈电点位于拉链右边第一个梳齿时，谐振点只有一个，在2.75GHz。在前述各种馈电激励位置情况中，当馈电点置于拉链下方端头上表面时，天线实测的带宽最宽，且具有两个谐振频点，对应两个工作频段。

在天线方向图和增益特性方面，实测数据表明，天线在拉链拉开上方四分之一长度、工作于频率2.8GHz的增益典型值为为6.71dBi，具有较强的方向性。表1给出了拉链拉开不同程度下天线增益和主波束3分贝宽度的数据。

表1拉链拉开不同程度下天线增益和主波束3分贝宽度统计

拉开程度	增益(dBi)	3分贝宽度(度)
			全拉合	7.01	18.4
拉开四分之一	5.99	19.9
			拉开一半	6.43	26.9
拉开四分之三	4.99	40.6
			全拉开	3.80	59.3

综上所述，本发明技术方案的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，效果是：

1、结构精简，安装牢靠，便于制作、携带和使用，不占用用户额外空间。

2、具有自然可重构性。拉链拉开程度的不同，直接影响天线的辐射方向性，是一种方向图可重构天线。

3、用于辐射和接收电磁波，是无线通信、无线探测、无线传感、无线电导航定位等领域的一种工具。具体是：利用人体可穿戴物件上已有的金属拉链，对其施加合适的激励，注入微波信号，借助于不同的拉链形态所具备的电磁辐射性能，将信号发射出去，作为发射天线用；或者是，利用金属拉链对空中电磁场的感应和捕获能力，从空间耦合电磁信号，引入可穿戴电子设备或系统中，实现从空间无线到电路有线之间的能量转换，作为接收天线用。

4、属于电子科学与技术领域的电磁辐射理论与技术，因这种用于可穿戴式无线系统的拉链天线可以根据馈电位置和馈电结构设计的不同而谐振于不同的频率，典型覆盖频段包括1.5GHz-1.7GHz(北斗和GPS卫星导航常用频段)、2.4GHz-2.5GHz/5.7GHz-5.9GHz(ISM频段，工业/科研/医疗开放公用频段)等，使得此天线可应用于无线导航与定位、空间电磁能量收集和充电、人体中心网络和数字多媒体、物联网和智慧城市、智能家居、运动及医学和健康数据采集与实时传输等领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于可穿戴式无线系统的拉链天线，其特征在于，包括设于用于人体穿戴的物件上的拉链(1)以及与所述拉链(1)连接的馈电端(2)；

所述拉链(1)的材质为金属材质；

所述馈电端(2)包括同轴接头(2.1)以及设置在所述同轴接头(2.1)上且与所述拉链连接的探针(2.2)。

2.根据权利要求1所述的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，其特征在于，所述馈电端(2)还包括微带介质基板(2.3)，所述同轴接头(2.1)垂直贯穿所述微带介质基板(2.3)设置。

3.根据权利要求2所述的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，其特征在于，所述微带介质基板(2)的材质为FR-4，其介电常数为4.3，其长×宽×厚为100mm×70mm×1.2mm。

4.根据权利要求2所述的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，其特征在于，所述馈电端(2)设置在所述拉链(1)的中部、底端的顶面、底端的底面以及底端的侧面中的至少一处。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，其特征在于，所述同轴接头(2.1)通过插入所述拉链(1)的方式与所述拉链(1)进行连接，或者是所述同轴接头(2.1)通过沾粘部件与所述拉链(1)进行连接。

6.根据权利要求5所述的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，其特征在于，所述拉链(1)的长度为68cm。

7.根据权利要求6所述的用于可穿戴式无线系统的拉链天线，其特征在于，所述拉链(1)拉合的方向为人体站立时的由下至上方向。