CN108448232A - 一种柔性双频可穿戴天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性双频可穿戴天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，所述介质基板由聚四氟乙烯玻璃纤维布组成，相对介电常数为2.3～2.9，损耗正切值为0.0025，厚度为0.27～0.33mm，所述辐射贴片、接地板和馈电网络均设置于所述介质基板的一侧，所述辐射贴片为T字型结构，辐射贴片上设有十字形的开槽，所述馈电网络与T字型辐射贴片的竖向部分重合，所述接地板设置于馈电网络的两侧。本发明天线在中心频率2.42GHz和5.78GHz时的回波损耗分别为‐20dB和‐22dB，并且具有良好的辐射性能，满足2.4GHz频段与5.8GHz频段频段对天线设计的要求，而且介质基板为柔性材料，实现了柔性可穿戴天线的设计。此外该天线尺寸小、结构简单、易于制作，适于无线通信系统及设备。

Description

一种柔性双频可穿戴天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种柔性双频可穿戴天线。
背景技术
ISM波段(Industrial Scientific Medical Band)是由FCC分配的无需许可证的无线电波段，分为工业、科学研究和医疗三个频段。ISM波段在各国的规定并不统一，如在美国，三个频段分别为902‐928MHz、2400‐2483.5MHz及5725‐5850MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部分用于GSM通信。2.4GHz为各国共同的ISM波段，因此无线局域网(IEEE 802.11b/IEEE802.11g)、蓝牙，ZigBee等无线网络均可工作在2.4GHz频段上。5.8GHz频段是一个比2.4GHz频率更高、开放的ISM频段，最近几年开始进入产品研发领域，是有望代替2.4GHz无线技术的技术之一。因此应用于ISM频段的双频天线的研究至关重要。
随着移动通信的发展，无线通信发展十分迅速，与之相关的无线通信技术、通信系统、通信设备等也成为研究的焦点。人体中心网络是移动通信的一个重要组成部分，它使得可穿戴设备越来越受到重视，而柔性可穿戴天线的研究价值也越来越高。近几年可穿戴天线的研究主要向着小型化、宽带化、结构紧凑和经济实用的方向发展，对于可穿戴天线在柔性材料上的研究越来越受到重视。因此柔性的可穿戴天线具有重要的研究价值。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种柔性双频可穿戴天线。该天线在中心频率2.42GHz和5.78GHz时的回波损耗分别为‐20dB和‐22dB，并且具有良好的辐射性能，满足2.4GHz频段与5.8GHz频段频段对天线设计的要求，而且介质基板为柔性材料，实现了柔性可穿戴天线的设计。此外该天线尺寸小、结构简单、易于制作，适于无线通信系统及设备，是最近电磁领域、可穿戴设备领域研究的热点，有极大的发展前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种柔性双频可穿戴天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，所述介质基板由聚四氟乙烯玻璃纤维布组成，相对介电常数为2.3～2.9，损耗正切值为0.0025，厚度为0.27～0.33mm，所述辐射贴片、接地板和馈电网络均设置于所述介质基板的一侧，所述辐射贴片为T字型结构，辐射贴片上设有十字形的开槽，所述馈电网络与T字型辐射贴片的竖向部分重合，所述接地板设置于馈电网络的两侧。
所述介质基板的长和宽分别为32mm、28mm。
所述开槽的宽度为0.6～1.0mm。
T字型结构辐射贴片的横向部分和竖向部分的宽度分别为4mm和3mm。
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.通过仿真分析可得到本发明天线的中心频率为2.42GHz和5.78GHz，在中心频率2.42GHz和5.78GHz时的回波损耗分别为‐20dB和‐22dB。该天线在2.4GHz频段的阻抗带宽范围是2.1‐2.74GHz，在5.8GHz频段的阻抗带宽范围为5.67‐5.93GHz，‐10dB的频带宽度分别为640M和260M，覆盖2.4GHz频段(2.4‐2.4835GHz)与5.8GHz频段(5.725‐5.85GHz)的工作频带。满足2.4GHz频段与5.8GHz频段频段对天线设计的要求，而且介质基板为柔性材料，实现了柔性可穿戴天线的设计。
2.该天线尺寸小、结构简单、易于制作，适于无线通信系统及设备，是最近电磁领域、可穿戴设备领域研究的热点，有极大的发展前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
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是天线的回波损耗仿真结果。
图5是不同开槽时天线仿真结果比较图。
图6是天线的电压驻波比示意图。
图7(a)和图7(b)为本发明天线分别在2.42GHz和5.78GHz频率处的辐射方向图。
附图标记：1-介质基板 2-辐射贴片 3-接地板 4-十字形开槽
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1和图2所示，一种柔性双频可穿戴天线，包括矩形结构的介质基板1，介质基板1由聚四氟乙烯玻璃纤维布制成，其相对介电常数为2.6，其介电损耗正切值为0.0025。
本实施例中的天线是通过蚀刻方法制作在规格尺寸为32mm×28mm的介质基板1上，介质基板1的厚度为0.3mm，辐射贴片2、馈电网络和接地板3均印刷在介质基板1的一侧，辐射贴片2是在介质基板1上印刷石墨烯，且辐射贴片2上设有十字形开槽4，辐射贴片2为T字型的结构，T字型结构的辐射贴片包括横向部分和竖向部分，其中竖向部分与馈电网络重合，馈电方式采用共面波导馈电，输入阻抗为50Ω，很好的实现了阻抗匹配，接地板3相对称地设置在馈电网络的左右两侧。
如图3所示：该图表示的是本发明天线经过优化设计后的具体尺寸参数，单位均为毫米，其中介质基板1的厚度为0.3mm。具体的尺寸参数如下：L＝32mm，W＝28mm，L1＝14.3mm，W1＝7mm，L2＝23.4mm，W2＝11mm，L3＝21mm，W3＝5.8mm，L4＝0.8m，W4＝4mm，W5＝2.7mm，T＝3mm。
为了研究天线的辐射特性，运用全波三维电磁仿真，对天线进行仿真优化，得到天线在中心频率处的方向图，并对仿真结果进行了分析：
经过仿真分析，本发明天线的中心频率为2.42GHz和5.78GHz，在中心频率2.42GHz和5.78GHz时的回波损耗分别为‐20dB和‐22dB。该天线在2.4GHz频段的阻抗带宽范围是2.1‐2.74GHz，在5.8GHz频段的阻抗带宽范围为5.67‐5.93GHz，‐10dB的频带宽度分别为640M和260M，覆盖了2.4GHz频段(2.4‐2.4835GHz)与5.8GHz频段(5.725‐5.85GHz)的工作频带。对天线相关参数进行优化，最终得到天线有效宽带为2.1‐2.74GHz和5.67‐5.93GHz。可得到回波损耗、方向图等仿真结果，及对一字型开槽和十字形开槽时天线进行了对比分析。
在图4中可以看出，天线的中心频率为2.42GHz，在中心频率2.42GHz时的回波损耗达到‐20dB，实现了良好的阻抗匹配。该天线的阻抗带宽范围是2.1‐2.74GHz，‐10dB的频带宽度为640M。
在图5中可以看出，增加合适的开槽对天线有一定的影响，当辐射贴片中开槽为一字型时，2.4GHz频段的中心频率的回波损耗稍微优于十字形开槽的情况，然而5.8GHz频段的中心频率很明显的向高频率发生偏移，回波损耗变小，虽然在‐10dB以下的带宽变化不是很明显，但是天线的阻抗匹配变差，影响天线的性能。因此，在辐射单元上进行开槽可以使中心频率发生偏移而且还能影响阻抗匹配，合理开槽可以实现天线的设计要求。
在图6中可以看出，本发明天线在2.1‐2.74GHz和5.67‐5.93GHz范围内电压驻波比VSWR＜2，达到良好的阻抗匹配。在中心频率处，天线的电压驻波比VSWR＝1.1，更好的实现了阻抗匹配。
由图7(a)和图7(b)可知，天线在中心频率2.42GHz和5.78GHz时的E面和H面的辐射方向图分别呈近似“8”字形及接近全向辐射的特性。
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 (4)

1.一种柔性双频可穿戴天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，其特征在于，所述介质基板由聚四氟乙烯玻璃纤维布组成，相对介电常数为2.3～2.9，损耗正切值为0.0025，厚度为0.27～0.33mm，所述辐射贴片、接地板和馈电网络均设置于所述介质基板的一侧，所述辐射贴片为T字型结构，辐射贴片上设有十字形的开槽，所述馈电网络与T字型辐射贴片的竖向部分重合，所述接地板设置于馈电网络的两侧。
2.根据权利要求1所述一种柔性双频可穿戴天线，其特征在于，所述介质基板的长和宽分别为32mm、28mm。
3.根据权利要求1所述一种柔性双频可穿戴天线，其特征在于，所述开槽的宽度为0.6～1.0mm。
4.根据权利要求1所述一种柔性双频可穿戴天线，其特征在于，T字型结构辐射贴片的横向部分和竖向部分的宽度分别为4mm和3mm。
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