CN107546480A - 一种应用于可穿戴设备的超宽带天线 - Google Patents

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张明振
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Abstract

本发明公开了一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，所述介质基板由环氧树脂和玻璃纤维布组成，厚度为0.15～0.25mm，所述接地板覆盖于所述介质基板一侧，所述接地板的中部设有倒U形空隙，所述倒U形空隙由从上到下设置的半圆形空隙和矩形空隙组合构成，所述矩形空隙的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；所述辐射贴片设置在所述倒U形空隙内部且与倒U形空隙的形状相同，由矩形辐射贴片和半圆形辐射贴片组合构成，所述矩形辐射贴片的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；所述辐射贴片的底部与所述馈电网络相连。该天线能够在多超宽带频段工作，满足可穿戴以及多用途的设计需求。

Description

一种应用于可穿戴设备的超宽带天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种应用于可穿戴设备的超宽带天线。
背景技术
近年来，可穿戴通信系统由于其在医疗和军事等领域的潜力得到了人们的极大重视。现在已有很多设备被投入市场，例如蓝牙头盔、与手机无线连接的手表以及与苹果设备绑定的运动鞋等等。但是因为天线工作带宽的限制，大多数这些设备只能够应用于单一领域。随着通信技术的发展，这已不能够满足人们的需求。因此将可穿戴技术与超宽带技术相结合是一个重要的研究方向。
自从美国联邦通信委员会在2002年将3.1‐10.6GHz划定为超宽带频段以来，超宽带天线技术已经取得了长足的发展。大量超宽带天线被设计出来，比如带有倒角的矩形天线、圆形的印刷单极子天线和锥形槽天线等等。因此需要解决的难题便是如何将两种技术结合。
在设计可穿戴超宽带天线时要满足几个基本需求：1.优异的时间域和频域特性；2)小尺寸以及低剖面；3)适于与人体相结合。因此，本设计提出了一款能够满足上述技术要求的天线。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，该天线能够在多超宽带频段工作，满足可穿戴以及多用途的设计需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，所述介质基板由环氧树脂和玻璃纤维布组成，厚度为0.15～0.25mm，所述接地板覆盖于所述介质基板一侧，所述接地板的中部设有倒U形空隙，所述倒U形空隙由从上到下设置的半圆形空隙和矩形空隙组合构成，所述矩形空隙的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；所述辐射贴片设置在所述倒U形空隙内部且与倒U形空隙的形状相同，由矩形辐射贴片和半圆形辐射贴片组合构成，所述矩形辐射贴片的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；所述辐射贴片的底部与所述馈电网络相连。
进一步的，所述介质基板的相对介电常数为2.3～3，介电损耗正切值为0.003。
进一步的，所述阶梯状结构设有至少四层阶梯。
进一步的，所述半圆形空隙的半径为20～26mm。
进一步的，所述半圆形辐射贴片的半径为10～14mm。
进一步的，所述介质基板的规格尺寸为70mm×70mm×0.2mm。
进一步的，所述矩形辐射贴片上的阶梯状结构从上到下的阶梯高度依次为1mm、1.25mm和1.5mm。
进一步的，所述矩形空隙上的阶梯状结构从上到下的阶梯高度依次为1mm、1.15mm和2mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.该天线的接地板和辐射贴片分别设有半圆形结构和阶梯状结构，有效增加了2.2-4.5和5.5-12.1GHz带宽，使得该天线覆盖了整个超宽带频段，拓展了天线的应用范围。
2.该天线具有稳定的全向辐射特性，在超宽带带宽内都可以全方向辐射信号。
3.该天线在弯曲时的工作参数正常可靠，具有可穿戴特性。
附图说明
图1是本发明的俯视结构示意图。
图2是本发明的侧视结构示意图。
图3是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。
图4(a)和图4(b)分别为本天线无半圆形结构和无阶梯状结构的结构示意图。
图5是本发明天线不同结构的回波损耗仿真示意图。
图6(a)、图6(b)和图6(c)为本发明天线分别在4GHz、7GHz和10.5GHz三个频率处的辐射方向图。
图7是将本发明天线弯曲后的实测回波损耗图。
附图标记：1-介质基板，2-接地板，3-馈电网络，4-辐射贴片，5-倒U形空隙
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，包括介质基板1、辐射贴片4、接地板2和馈电网络3，本实施例中介质基板1采用环氧玻纤布基板(FR‐4)，是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。它的粘结片和内芯薄型覆铜板，是制作多层印制电路板的重要基材。环氧玻纤布基板的抗冲击性、耐湿性能比纸基板高。它的电气性能优良，工作温度较高，本身性能受环境影响小。此外，它的机械性能、尺寸稳定性使得它具备可弯曲特性。本实施例天线通过引入0.2mm厚度的FR‐4(相对介电常数εγ＝2.65，介电损耗正切值tanθ＝0.003)材料来实现天线的可穿戴特性。辐射贴片4以及接地板2为常用的铜材料。
本发明采用共面波导馈电结构，且为单面结构，辐射贴片2、接地板4和馈电网络3在同一侧，天线的整体尺寸为70mm×70mm×0.2mm。接地板2覆盖设置在介质基板1上方，接地板2的中部设有倒U形空隙5，倒U形空隙5由从上到下设置的半圆形空隙和矩形空隙组合构成，矩形空隙的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；辐射贴片设置在所述倒U形空隙内部且与倒U形空隙5的形状相同，由矩形辐射贴片和半圆形辐射贴片组合构成，矩形辐射贴片的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；本实施例中辐射贴片4小于倒U形空隙5，所述辐射贴片的底部与所述馈电网络相连。馈电网络3与辐射贴片4底部相连，输入阻抗为50Ω，很好的实现了阻抗匹配。本实施例中所述馈电网络3与接地板2之间的距离为1.5mm。且矩形空隙内的阶梯状结构及辐射贴片上的阶梯状结构均为4层阶梯。
如图3所示：该图表示的是本实施例天线经过优化设计后的尺寸图，具体尺寸参数如下：L1＝70mm，L2＝24.5mm,L3＝18.5mm，L4＝14.5mm,L5＝10.5mm,L6＝34mm,L7＝32.5mm，L8＝36.5mm,L9＝40.5mm，L10＝46.5mm,L11＝1.5mm，H1＝70mm,H2＝57.25mm,H3＝55.75mm.H4＝54.5mm,H5＝53.5mm,H6＝8.5mm,H7＝19.1mm,H8＝54mm,H9＝55mm，H10＝56.15mm，H11＝58.15mm，介质基板厚度为0.2mm。
进一步的，利用全波电磁仿真软件HFSS，分别对天线的回波损耗、辐射方向图以及天线弯曲条件下性能测试三个方面进行了仿真和优化。
利用全波电磁仿真软件HFSS，分别对天线有无阶梯状结构、有无半圆形结构进行了仿真和对比，证明阶梯以及半圆形结构对于拓展带宽的重要作用。此外，还通过实物制作与测试验证了该天线在弯曲时的工作参数，证实了该天线的可穿戴特性。
图4(a)为天线无半圆形时的天线结构图，图4(b)为天线无阶梯状结构时的天线结构图。图5分别为三种结构的回波损耗图。通过对比可以看出，半圆形结构和阶梯状结构有效增加了2.2‐4.5and 5.5‐12.1GHz带宽，使得该天线覆盖了整个超宽带频段，拓展了天线的应用范围。图6(a)至图6(c)为该天线在4GHz、7GHz和12GHz三个频率处的辐射方向图。通过三幅图可以看出天线具有稳定的全向辐射特性，在超宽带带宽内都可以全方向辐射信号。
图7为该天线在弯曲情况下工作的实测回波损耗图。通过与天线在非我弯曲状态下对比，可以看出天线的工作频段有所偏移，回波损耗有提高，但是基本满足基本多频工作性能。这是因为0.2mm的厚度使得天线在弯曲时结构并不会出现严重伸缩变形，能够保证电流正常均匀分布。此外，FR‐4稳定的机械特性也使得天线具有形变后的恢复能力。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，其特征在于，所述介质基板由环氧树脂和玻璃纤维布组成，厚度为0.15～0.25mm，所述接地板覆盖于所述介质基板一侧，所述接地板的中部设有倒U形空隙，所述倒U形空隙由从上到下设置的半圆形空隙和矩形空隙组合构成，所述矩形空隙的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；所述辐射贴片设置在所述倒U形空隙内部且与倒U形空隙的形状相同，由矩形辐射贴片和半圆形辐射贴片组合构成，所述矩形辐射贴片的下部两侧相对称地设有阶梯状结构；所述辐射贴片的底部与所述馈电网络相连。
2.根据权利要求1所述一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为2.3～3，介电损耗正切值为0.003。
3.根据权利要求1所述一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，其特征在于，所述阶梯状结构设有至少四层阶梯。
4.根据权利要求1所述一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，其特征在于，所述半圆形空隙的半径为20～26mm。
5.根据权利要求1所述一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，其特征在于，所述半圆形辐射贴片的半径为10～14mm。
6.根据权利要求1所述一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，其特征在于，所述介质基板的规格尺寸为70mm×70mm×0.2mm。
7.根据权利要求1所述一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，其特征在于，所述矩形辐射贴片上的阶梯状结构从上到下的阶梯高度依次为1mm、1.25mm和1.5mm。
8.根据权利要求1所述一种应用于可穿戴设备的超宽带天线，其特征在于，所述矩形空隙上的阶梯状结构从上到下的阶梯高度依次为1mm、1.15mm和2mm。
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