CN108232437B

CN108232437B - 一种锥形波束宽带缝隙天线阵列及头戴vr设备

Info

Publication number: CN108232437B
Application number: CN201711384458.1A
Authority: CN
Inventors: 曹云飞; 刘楚钊; 章秀银
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2024-03-15
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: CN108232437A

Abstract

本发明公开了一种锥形波束宽带缝隙天线阵列及头戴VR设备，天线阵列包括缝隙辐射阵列、四个T型耦合馈电线、AMC反射面、功分器等，采用单极子与缝隙辐射体相结合的方式实现天线宽频带覆盖效果；采用2×2对称组阵方式的缝隙天线阵列，并使用一分四功分器对缝隙辐射单元的不同位置进行等幅等相馈电，形成类似单极子的锥形波束，在水平面获得全向覆盖；采用人工磁导体AMC反射面，充分利用后瓣辐射在AMC反射面上的同相反射叠加，在不大幅增加天线高度的情况下，增加天线阵列的增益同时降低人头的SAR值，使得天线在人头模型上获得更好的鲁棒性，适用于头戴式VR设备的无线化通信；将具有水平全向覆盖特性的锥形波束天线设置在VR头盔中以期提高通信质量。

Description

一种锥形波束宽带缝隙天线阵列及头戴VR设备

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域的天线研究领域，特别涉及一种锥形波束宽带缝隙天线阵列及头戴VR设备。

背景技术

随着体域网研究的深入以及信息科技的发展，以虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备为代表的无线体域网应用给人们的日常娱乐生活带来了全新体验。现阶段的VR设备以头戴式为主，并且大多数产品均是通过有线连接的方式和体外主机进行通信。这种有线化的设备连接方式不利于人们使用VR设备的体验，当人们穿戴上VR设备沉浸在VR环境中时经常需要走动、扭转身体，线缆有可能阻碍人们的活动，并且缠绕的线缆有可能会绊倒娱乐中的人们。为了全面提升人们的沉浸式体验，头戴式VR设备的无线化成为一个重要的趋势。在实际VR娱乐中，人们经常会转动身体，并且伴随肢体动作，这要求天线在水平面上需要具有全向辐射的能力以满足全方位覆盖。

头戴式VR天线的最佳放置点是在人头顶部，尽量避免人体的阻挡作用，这要求天线尺寸不能太大。另外，VR传输高清信号需要大带宽，为了覆盖尽可能多的带宽，应用于VR设备的人体天线必须进行宽带化设计，同时这也能有效应对人体加载和肢体动作带来的频偏失配作用。

现阶段无线VR设备的天线多采用单极子方案，为了在水平面获取全向覆盖，那么单极子必须垂直人头顶部表面放置，这样导致的剖面较高。为了降低剖面高度，已有研究对单极子天线进行弯曲折叠，或是共形平放设计，可使得天线与头部耦合增强，降低辐射性能。贴片天线拥有很低的剖面，其地板可以给天线与人体之间提供隔离。在引入短路探针之后，贴片天线的高次模式也能产生全向覆盖的模式。不过这种基于高次模式的贴片天线的带宽受限，难以实现宽带化设计。为了解决带宽问题，有研究人员将顶部加载的圆锥形单极子引入到头盔天线的设计中，然而其地板面积相对较大，不利于VR设备的小型化。

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

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种锥形波束宽带缝隙天线阵列，该天线阵列具备宽带化性能，工作性能稳定，具有高增益和高辐射效率。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述锥形波束宽带缝隙天线阵列的头戴VR设备，天线阵列设置在头戴VR设备的顶部。该设备可以实现宽频带覆盖效果。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种锥形波束宽带缝隙天线阵列，包括缝隙辐射阵列和四个T型耦合馈电线，分别蚀刻在第一介质基板的下表面和上表面，同轴线缆给缝隙辐射阵列馈电；缝隙辐射阵列以缝隙天线作为阵列单元，采用2×2对称组阵方式，令中心对称的一组缝隙单元的T型耦合馈电线相向摆放，并使用一分四功分器对四个T型耦合馈电线进行等幅等相馈电，形成锥形波束，在水平面获得全向覆盖。

优选的，所述缝隙天线阵列分为上下两部分，上部分是第一介质基板以及蚀刻在其上方的缝隙辐射阵列和四个T型耦合馈电线，下部分是第二基板以及印刷在其上的AMC(Artificial Magnetic Conductors,人工磁导体)反射面，第一介质基板、第二基板相平行，同轴线缆穿过AMC反射面给缝隙辐射阵列馈电。将AMC反射面和天线阵列结合起来，整体进行调整和优化，可提高辐射前后比，降低与人体头部之间的耦合作用，降低人头的SAR值，使得天线在人头环境中能获得更好的鲁棒性。

更进一步的，所述AMC反射面采用6×6方形贴片单元组成。

优选的，同轴线缆给缝隙辐射阵列馈电，同轴线缆内芯与第一介质基板上表面50Ω主微带线的馈电点连接，外导体与下表面连接，50Ω主微带线后面接两路并联特性阻抗分别为100Ω的微带线，每一路100Ω的微带线之后接四分之一波长阻抗变换器，将特性阻抗转换为50Ω；经过阻抗变换之后每一路再次接两路并联的100Ω微带线，进行一分二，从而形成类似单极子的锥形波束，在水平面获得全向覆盖。

优选的，所述第一介质基板采用Rogers 4360G2介质基板。

优选的，所述第二基板采用Rogers 4350B基板。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明缝隙天线阵列以缝隙天线作为阵列单元，采用2×2对称组阵方式，令中心对称的一组缝隙单元的T型耦合馈电线相向摆放，并使用一分四功分器对缝隙单元的不同位置进行等幅等相馈电，形成了类似单极子的锥形波束，在水平面获得全向覆盖，在实际应用中，无论用户如何移动，天线在水平面都可以具有很好的覆盖效果。

2、本发明将缝隙天线阵列与人工磁导体AMC反射面相结合，并整体进行调整和优化，充分利用后瓣辐射在AMC反射面上的同相反射叠加，在不大幅增加天线高度的情况下，增加天线阵列的增益与辐射效率，确保天线在人头环境中能获得更好的鲁棒性。

3、本发明人工磁导体AMC反射面的应用，降低了人头对电磁波能量的SAR值，保证了本天线阵列对人体的电磁辐射安全性，应用于头戴VR设备的无线模块有助于推动VR设备的普及与VR技术的发展。

4、本发明天线可应用于无线移动通信领域，特别是体域网无线通信场景，可应用于各类头戴式设备无线通信系统的接收和发射设备中。受益于天线阵列中缝隙天线单元的采用，可以实现宽频带覆盖效果。

附图说明

图1a)是本发明缝隙天线阵列的一个具体实施例；

图1b)是本发明缝隙天线阵列应用在VR中时的整体模型图；

图2是本发明缝隙天线阵列具体实施例的分层视图；

图3a)、b)是本发明缝隙天线阵列具体实施例的侧视图和俯视图；

图4是本发明缝隙天线阵列具体实施例中四个T型耦合馈电线的结构：a)上表面馈电结构；b)下表面辐射缝隙；

图5是本发明缝隙天线阵列具体实施例的6×6单元AMC反射面；

图6是本发明缝隙天线阵列具体实施例在不同环境下仿真与测试的反射系数；

图7是本发明锥形波束宽带缝隙天线阵列具体实施例仿真和测试的辐射方向图：5.2GHz a)phi＝0°；b)phi＝90°；5.5GHz c)phi＝0°；d)phi＝90°；5.8GHze)phi＝0°；f)phi＝90°；

图8a)、b)是本发明缝隙天线阵列具体实施例分别在自由空间和人头模型环境中的5.5GHz辐射方向图；

图9是本发明缝隙天线阵列具体实施例中不同频率下的表面SAR分布：a)5.2GHz；b)5.5GHz；c)5.8GHz；

图10是本发明缝隙天线阵列具体实施例中不同频率下的内部切面SAR分布：a)5.2GHz；b)5.5GHz；c)5.8GHz；

图11是本发明缝隙天线阵列具体实施例中缝隙阵列仿真与测试的增益曲线；

图12是本发明缝隙天线阵列具体实施例中缝隙阵列仿真与测试的辐射效率曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术细节进行清晰、详尽的说明，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本实施例所述的一种锥形波束宽带缝隙天线阵列可应用在头戴VR设备中，参阅图1a)、图1b)，VR设备模型主要分为前罩模块和顶部模块，阵列集成在顶部模块，如图2所示。

参阅图2、图3a)、b)，本实施例的缝隙天线阵列结构主要分为两部分，上部分是缝隙辐射阵列8，下部分是人工磁导体AMC反射面10。缝隙辐射阵列蚀刻在Rogers 4360G2介质基板5上，而AMC反射面10则印刷在Rogers 4350B基板11上。使用尼龙螺丝4把上部分和下部分间隔开，0.86型同轴线缆13穿过AMC反射面10给缝隙天线阵列馈电。

参阅图4a)、b)权衡实际应用场景的空间大小和阵列增益，以缝隙天线7为单元，以2×2对称组阵方式，令中心对称的一组缝隙单元的T型耦合馈电线2相向摆放；并使用一分四功分器给2×2天线阵列进行等幅等相馈电，同轴馈电内芯与上表面50Ω主微带线的馈电点连接，外导体与下表面连接。为了匹配，50Ω主微带线后面接两路并联特性阻抗分别为100Ω的微带线。每一路100Ω的微带线之后接四分之一波长阻抗变换器3，将特性阻抗转换为50Ω。经过阻抗变换之后每一路再次接两路并联的100Ω微带线，进行一分二，从而形成了类似单极子的锥形波束，在水平面获得全向覆盖。

参阅图5，为了提高辐射前后比，降低天线与人体头部之间的耦合作用，本实施例引入了AMC结构。为了最大限度减小天线整体体积，在本设计中采用6×6单元组成AMC反射面10。

参阅图6，给出了天线在不同环境下仿真与测试的反射系数。在自由空间中，仿真与测试结果比较吻合，-10dB带宽均覆盖了5-6GHz频段。自由空间仿真覆盖的频段是4.89-6.19GHz，实现相对带宽23.6％；自由空间实测覆盖的频段是4.82-6.19GHz，相对带宽为24.8％。本实施例中充分利用了缝隙天线的两个谐振模式，整体优化的结果使缝隙环形模式和耦合四个T型耦合馈电线模式均获得良好的匹配，实现了超过20％的宽带性能。当缝隙阵列工作在头部VR设备顶部模块时，高频谐振模式受到ABS树脂材料的加载往下移动，但是通带内均维持了良好的阻抗匹配。由于AMC结构的良好保护作用，当VR产品外壳模型整体佩戴于真人头部时，反射系数基本与天线只在3D打印模块里面工作的结果一致，说明AMC结构在不同环境下的反射技术均维持了稳定，覆盖的带宽也基本一致。在真人头部测试时，缝隙天线阵列的-10dB覆盖了4.75-6.12GHz，实现相对带宽25.2％。以上测试结果验证了这一缝隙天线阵列的设计在带宽方面具有良好的鲁棒性能。

在辐射性能的测试中，使用各向同性的长方体模型代替标准人头模型。长方体人体模型的尺寸为120×120×50mm³。参阅图7a)-f)各个辐射方向图，在5-6GHz工作频段内，z轴上均出现了凹陷的零点，阵列天线在宽带范围内维持了良好的锥形波束，形成了类似单极子的辐射模式，并在theta＝36°的水平面上实现了全向辐射。自由空间中的仿真结果与测试结果吻合，低频段的前后比在16dB左右，高频段的前后则可以到20dB以上。人体模型上的测试结果显示，两个切面的后向波瓣相对自由空间情况均有所减小，这主要是因为人体模型组织吸收了部分后瓣辐射能量。

参阅图8，图8a)、b)展示了阵列天线分别在自由空间和人头模型上的5.5GHz辐射方向图，可见其依旧维持了类似单极子的锥形辐射波束，但是由于人头组织的吸收作用，整体增益由自由空间的6.42dBi下降至5.84dBi。

参阅图9a)、b)、c)，人头加载的环境下，图9描绘的是人头顶部表面的SAR分布。从结果观察可知，最大的SAR分布区域基本集中在缝隙阵列的底部一带。人头模型内部切面的SAR分布则如图10a)、b)、c)，所示。频率越高趋肤效应越强，在5-6GHz频段，能量主要耗散在人体表面，切面的SAR值也主要分布在靠近人体表面的地方，电场深入到皮肤的深度也不过是10mm左右。表1列出了不同频率下的最大SAR值。

表1不同频率下的最大SAR值

在输入功率为500mW时，不同频率下的最大SAR值均小于0.22W/kg，这也从侧面说明了AMC反射面对人体组织的保护作用。在1.6W/kg的规定值下，天线可以输入的最大功率可达3.6W，这一个功率值已经远大于一般无线终端的发射功率。

参阅图11，天线阵列仿真与测试的增益曲线如图11所示。在自由空间中，仿真增益随频率的变化基本维持在6.0dBi上下，在实际测试中受到线缆损耗的影响，部分增益下降了0.5dB。当阵列天线工作在3D打印的顶部构件时，ABS树脂材料的加载作用会使得增益相对自由空间的测试结果下降0.5dB。由于模拟组织液对电磁能量的吸收作用，集成于ABS外壳的缝隙阵列工作在人体模型上时，获得的增益相对前一种情况均下降了大约0.2dB，不过在所需频段内的增益依旧保持在5.0dBi以上。

参阅图12，图12给出了天线辐射效率的对比结果。在没有任何加载的环境中，本发明的仿真辐射效率在整个5-6GHz频段内均超过了90％，由于线缆和转接头的损耗，其实测辐射效率在低频段下降幅度较大，但是基本维持在85％左右。VR设备3D打印外壳对辐射效率的影响并不显著，其测试结果与自由空间实测结果较为接近。当天线工作在模拟人体组织时，模拟组织液的损耗作用再次呈现，使得辐射效率下降了3％左右。不过，出现的降幅并不大，这主要受益于AMC反射表面在很大程度上隔离了人体组织与缝隙天线之间的耦合作用，降低了人体组织对电磁辐射能量的损耗作用。

以上是对本发明锥形波束宽带缝隙天线阵列及头戴VR设备所提供具体实施例的详细描述。本文运用了具体实施例对本发明的设计、原理及实施方式进行阐述，帮助理解本发明的发明及其核心思想。综上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，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

1.一种锥形波束宽带缝隙天线阵列，其特征在于，包括缝隙辐射阵列和四个T型耦合馈电线，分别蚀刻在第一介质基板的下表面和上表面，同轴线缆给缝隙辐射阵列馈电；缝隙辐射阵列以缝隙天线作为阵列单元，采用2×2对称组阵方式，令中心对称的一组缝隙单元的T型耦合馈电线相向摆放，并使用一分四功分器对四个T型耦合馈电线进行等幅等相馈电，形成锥形波束，在水平面获得全向覆盖；

所述缝隙天线阵列分为上下两部分，上部分是第一介质基板以及蚀刻在其表面的缝隙辐射阵列和四个T型耦合馈电线，下部分是第二基板以及印刷在其上的AMC反射面，第一介质基板、第二基板相平行，同轴线缆穿过AMC反射面给缝隙辐射阵列馈电；

所述AMC反射面采用6×6方形贴片单元组成；

同轴线缆给缝隙辐射阵列馈电，同轴线缆内芯与第一介质基板上表面50 Ω主微带线的馈电点连接，外导体与下表面连接，50 Ω主微带线后面接两路并联特性阻抗分别为100Ω的微带线，每一路100 Ω的微带线之后接四分之一波长阻抗变换器，将特性阻抗转换为50 Ω；经过阻抗变换之后每一路再次接两路并联的100 Ω微带线，进行一分二，从而形成类似单极子的锥形波束，在水平面获得全向覆盖。

2.根据权利要求1所述的锥形波束宽带缝隙天线阵列，其特征在于，所述第一介质基板采用Rogers 4360G2介质基板。

3.根据权利要求1所述的锥形波束宽带缝隙天线阵列，其特征在于，所述第二基板采用Rogers 4350B基板。

4.一种头戴VR设备，其特征在于，权利要求1-3任一项所述的锥形波束宽带缝隙天线阵列设置在头戴VR设备的顶部。