CN107317094A - 一种手环天线及其差分馈电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手环天线，包括金属边框，所述金属边框的底部设有嵌入金属边框内的平面介质板，所述平面介质板的中部开设通孔，所述通孔内嵌装金属腔体；所述金属腔体作为天线的电路接地板，天线的电子元器件设于金属腔体内部；所述平面介质板的下表面设有两根金属条带，所述金属条带的一端与所述金属边框电连接，另一端与金属腔体之间设有馈电端口，所述馈电端口的接地端与金属腔体连接，信号端与金属条带连接。本发明还公开了一种手环天线的差分馈电方法，两馈电端口采用幅值大小相等，相位相差π的激励信号。本发明阻抗匹配良好，实现了差分馈电条件下良好的共模抑制效果。

Description

一种手环天线及其差分馈电方法
技术领域
本发明涉及一种用于医疗监测ISM频段的手环天线，尤其涉及一种手环天线及其差分馈电方法，属于医疗监测技术领域。
背景技术
最近几年，随着芯片技术的高速发展和传感器小型化技术的进步，包含步数记录、监测心跳等功能的智能手表、手环逐渐兴起，未来会进一步朝着智能化、小型化的方向发展，并且逐步会在医疗监测领域展开应用，如血压高低、葡萄糖浓度实时监测等等。
2015年，Saou-Wen Su和Yi-Ting Hsieh在IEEE Transactions on Antennas andPropagation期刊上发表“Integrated Metal-Frame Antenna for Smartwatch WearableDevice”，提出用于智能手表的金属边框天线，此天线主要利用金属边框辐射，通过在金属框的合适点引入短路来实现更好的阻抗匹配。但是，该天线尺寸较大(5mm×40mm×50mm)，并且实际应用中金属地面上的电子元器件会导致天线的匹配恶化，辐射效率降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种手环天线，解决现有技术中手环天线尺寸大、共模抑制效果差、阻抗匹配度不佳的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种手环天线，包括金属边框，所述金属边框的底部设有嵌入金属边框内的平面介质板，所述平面介质板的中部开设通孔，所述通孔内嵌装金属腔体；
所述金属腔体作为天线的电路接地板，天线的电子元器件设于金属腔体内部；
所述平面介质板的下表面设有两根金属条带，所述金属条带的一端与所述金属边框电连接，另一端与金属腔体之间设有馈电端口，所述馈电端口的接地端与金属腔体连接，信号端与金属条带连接。
所述金属边框为矩形环状、圆形环状、椭圆环状中的任一种。
两根所述金属条带连接于金属边框的同一侧边上；两金属条带相互平行，且关于所述侧边的中线对称设置。
所述金属边框的另三个侧边与金属腔体之间的距离相等。
所述平面介质板的相对介电常数为2.2～6.2。
所述平面介质板的厚度为0.5～1.6mm。
本发明还提供了一种手环天线的差分馈电方法，两馈电端口采用幅值大小相等，相位相差π的激励信号。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明提供的手环天线具有结构紧凑，干扰小，阻抗匹配良好的特点，通过天线的结构设计实现了差分馈电条件下良好的共模抑制效果；同时利用金属外部边框与内部接地金属腔体作为辐射体，增大了辐射口径；内部金属腔体不仅作为辐射体，同时作为外部金属边框的加载，有效地改善了外部环形天线的匹配，增加了天线的带宽，适用于未来医疗监测的无线通信系统；
2、本发明提供的手环天线的差分馈电方法，采用差分馈电的形式，利于与芯片输出的差分信号进行直连。
附图说明
图1是本发明提出的手环天线的结构示意图；
图2是本发明提出的手环天线x方向的视图；
图3是本发明提出的手环天线y方向的视图；
图4是本发明提出的手环天线z方向的视图；
图5是本发明提出的手环天线实施例一的尺寸标注示意图；
图6是本发明提供的手环天线的S参数(包括差分|S11dd|及共模|S11cc|)的仿真图；
其中：1、金属边框；2、平面介质板；3、金属腔体；4、金属条带；5、馈电端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1～4所示，本发明一种手环天线，包括金属边框1、平面介质板2、金属腔体3、金属条带4和馈电端口5。
金属边框1是手环的外部结构支撑，同时作为手环天线的主要辐射体，可以为矩形环状、圆形环状、椭圆环状中的任一种。
平面介质板2设于金属边框1内部的底端，周边与金属边框1紧密接触连接，平面介质板2的中部掏空，形成通孔，将金属腔体3嵌装于通孔内。平面介质板2的相对介电常数为2.2～6.2，厚度为0.5～1.6mm，优选的相对介电常数为3.66，厚度为0.762mm。
金属腔体3作为手环天线的电路接地板，由金属薄片围成，手环天线的电子元器件设于金属腔体3内部，避免对手环天线的性能构成影响。另外，金属腔体3作为金属边框1的加载部分，改善了阻抗匹配，同时也作为天线结构的一部分参与辐射，增大了辐射口径。
金属条带4设置于平面介质板2的下表面，金属条带4的一端与金属边框1电连接，另一端与金属腔体3之间设有馈电端口5，馈电端口5的接地端与金属腔体3连接，信号端与金属条带4连接。两根金属条带4连接于金属边框1的同一侧边上；两金属条带4相互平行，且关于侧边的中线对称设置，金属边框1的另三个侧边与金属腔体3之间的距离相等。
本发明提供的手环天线是一种结合外部金属边框1及内部电路接地腔体作为辐射体的手环天线。通过天线本身的结构设计，实现了共模抑制，即共模信号反射系数|S11cc|(S11cc＝S11+S12)基本接近0dB(S11表示1端口的反射系数，S12表示1、2端口的耦合系数)。在外部金属边框1参与辐射的同时，内部接地金属腔体3作为外部金属边框1的匹配加载，也参与辐射，因此增大了天线的辐射口径，改善了辐射效率。另外，金属腔体3作为电路的接地面，可以同时屏蔽内部电子元器件对外部天线辐射效果的影响。
实施例一：
如图5所示，手环天线的长度L＝40mm，宽度W＝20mm，为正常手环的大小。金属腔体3的大小为长度L1＝34mm，宽度W1＝11mm。两个金属条带4大小尺寸相同，其长度L2＝4mm，W2＝0.4mm。金属腔体3左侧及上下侧与金属边框1的距离s＝2mm。如图6所示，手环天线工作于2.45GHz的ISM工作频段，绝对带宽0.101GHz，相对带宽4.1％，共模|S11cc|<0.32dB，具有良好的带宽及良好的共模抑制效果。由于2.45GHz同时是蓝牙的工作频段，因此现阶段可以用于蓝牙通信，未来随着医疗传感器小型化技术的不断发展，可以用于医疗监测等领域，实时监测人体健康数据。
将本发明提供的手环天线应用于人体手臂之上时，由于人体组织效应的加载影响，谐振频率会有所偏移，因此可以在天线与皮肤之间加入适当的介质层，改善匹配，增大辐射效率。
本发明提供的手环天线的差分馈电方法，是采用上述手环天线实现的，手环天线采用差分馈电的方式，即两个馈电端口5的馈电信号幅值相等，相位相差180度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种手环天线，其特征在于，包括金属边框，所述金属边框的底部设有嵌入金属边框内的平面介质板，所述平面介质板的中部开设通孔，所述通孔内嵌装金属腔体；
所述金属腔体作为天线的电路接地板，天线的电子元器件设于金属腔体内部；
所述平面介质板的下表面设有两根金属条带，所述金属条带的一端与所述金属边框电连接，另一端与金属腔体之间设有馈电端口，所述馈电端口的接地端与金属腔体连接，信号端与金属条带连接。
2.根据权利要求1所述的手环天线，其特征在于，所述金属边框为矩形环状、圆形环状、椭圆环状中的任一种。
3.根据权利要求1所述的手环天线，其特征在于，两根所述金属条带连接于金属边框的同一侧边上；两金属条带相互平行，且关于所述侧边的中线对称设置。
4.根据权利要求3所述的手环天线，其特征在于，所述金属边框的另三个侧边与金属腔体之间的距离相等。
5.根据权利要求1所述的手环天线，其特征在于，所述平面介质板的相对介电常数为2.2～6.2。
6.根据权利要求5所述的手环天线，其特征在于，所述平面介质板的厚度为0.5～1.6mm。
7.采用权利要求1～6任一项所述的手环天线的差分馈电方法，其特征在于，两馈电端口采用幅值大小相等，相位相差π的激励信号。
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