CN108493589B - 一种用于可穿戴设备的滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于可穿戴设备的滤波天线，包括顶层介质基板、底层介质基板、天线辐射单元、顶层金属地板、底层金属地板及人造磁导体结构，所述顶层介质基板的上表面印制天线辐射单元，其下表面印制顶层金属地板，所述底层介质基板的上表面刻蚀人工磁导体结构，其下表面印刷底层金属地板；所述天线辐射单元由圆形贴片及微带耦合馈电枝节结构构成。本发明具有小型化、易集成、低剖面、高增益、抗干扰、可工作在ISM–5.8GHz频段、可用于穿戴设备、具有滤波性能等优点，适用于人体局域网无线通信领域。

Description

一种用于可穿戴设备的滤波天线
技术领域
本发明涉及可穿戴设备领域，具体涉及一种用于可穿戴设备的滤波天线。
背景技术
人体中心通信作为第四代无线通信系统的重要组成部分，可运用于一些特殊的场合，如远程医疗、火灾救援、军事战场、个人娱乐等。在人体中心通信系统的研究中可穿戴天线是一个重要的研究方向，可穿戴天线是能够穿戴在人体上的天线，它是在传统天线的基础上，开发出的可集成在衣服或佩戴在人体某个部位的智能设备中的天线，在制作过程中运用了不同的结构、材料和工艺。
由于可穿戴天线是工作在靠近人体表面，而人体由多种形状不同、电磁特性各异、非均匀的色散生物组织构成，对天线的性能有很大影响，所以可穿戴天线的设计思路与通用天线有所区别。另一方面，目前设计的可穿戴式天线技术中，大多数设计都没有滤波功能，而是通过同轴线将滤波器和天线连接起来实现滤波特性，表现出了损耗高，体积大，集成度小等缺点，不利于穿戴设备小型化发展的趋势。
因此，在目前电路集成化程度越来越高的发展趋势下，设计一款可穿戴在人体的、集成滤波和天线两种功能的器件，即可穿戴滤波天线，显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种用于可穿戴设备的滤波天线。本发明工作于ISM频段(5.725-5.875GHz)的小尺寸、易集成、低剖面、高增益可应用于穿戴设备的滤波天线。
本发明采用的技术方案：
一种用于可穿戴设备的滤波天线，包括顶层介质基板、底层介质基板、天线辐射单元、顶层金属地板、底层金属地板及人造磁导体结构，所述顶层介质基板的上表面印制天线辐射单元，其下表面印制顶层金属地板，所述底层介质基板的上表面刻蚀人工磁导体结构，其下表面印刷底层金属地板；
所述天线辐射单元由圆形贴片及微带耦合馈电枝节结构构成。
所述圆形贴片内开有两个开槽，所述两个开槽由圆周向圆心处延伸，且相互平行；
所述微带耦合馈电枝节结构由第一矩形微带线、倒U形微带线及边缘馈电网络构成，所述第一矩形微带线分别与圆形贴片及倒U形微带线连接，所述倒U形微带线内嵌倒U形缝隙，所述倒U形缝隙内设置第二矩形微带线，所述第二矩形微带线与边缘馈电网络连接。
所述顶层金属地板设置矩形开槽和H形开槽，所述矩形开槽和H形开槽关于顶层介质基板纵轴对称。
所述人工磁导体结构由7╳4的矩形贴片阵列构成，相邻矩形贴片的间距为1mm。
所述两个开槽、第一矩形微带线、第二矩形微带线、倒U形微带线及边缘馈电网络均关于顶层介质基板纵轴对称。
所述开槽为矩形开槽。
所述顶层介质基板与底层介质基板的距离为1.2mm。
所述倒U形缝隙的宽度为0.4mm。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种尺寸小、易集成、低剖面、高增益、可应用于穿戴设备的滤波天线；
(2)圆形贴片表面对称矩形开槽可以在某一频点处产生传输零点，使得相应频点处的增益曲线产生陷波，通过改变矩形开槽长度可以调节传输零点位置，相对应的在高频处，通过馈电网络和辐射贴片的耦合产生第二个传输零点，改变耦合的长度可以调节传输零点的位置，分别在高频和低频处产生两个传输零点，从而实现了滤波的效果；
(3)采用人工磁导体结构，减小天线的整体厚度，降低天线对人体的辐射影响，提高了天线的增益和前后比，同时降低由于人体这个复杂的电磁特性对天线性能所带来的影响，耦合馈电结构可以有效的提升微带天线的带宽，
附图说明
图1是本发明的天线辐射单元结构示意图；
图2(a)是顶层金属地板的结构图；
图2(b)是人工磁导体的结构图；
图2(c)是顶层介质基板及底层介质基板的设置示意图；
图3(a)、图3(b)及图3(c)分别是天线辐射单元、顶层金属地板及人工磁导体结构的标注示意图；
图4是本发明一种用于可穿戴设备的滤波天线在三层人体组织模型仿真时的回波损耗系数和增益仿真图；
图5(a)及图5(b)分别是本发明在XOY平面和YOZ平面的增益图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1、图2(a)、图2(b)及图2(c)所示，一种用于可穿戴设备的滤波天线，包括顶层介质基板1、底层介质基板15、天线辐射单元2、顶层金属地板12、底层金属地板17及人造磁导体结构，所述顶层介质基板的上表面印制天线辐射单元，其下表面印制顶层金属地板，所述底层介质基板的上表面刻蚀人工磁导体结构，其下表面印刷底层金属地板。
所述天线辐射单元由圆形贴片3及微带耦合馈电枝节结构构成，所述圆形贴片内开有两个开槽4A、4B，所述两个开槽位于圆形贴片的下部，由圆周部分向圆心处延伸，两个开槽平行，且关于顶层介质基板纵向中线对称，开槽为矩形，本实施例中圆形贴片的直径为15.6mm，开槽的长度相等具体为7.8mm，宽度为0.8mm。
所述的对称的矩形开槽部分等效于一个LC谐振电路，在通带边缘产生了一个传输零点。
所述微带耦合馈电枝节结构由第一矩形微带线5、倒U形微带线6、第二矩形微带线7及边缘馈电网络9构成，所述第一矩形微带线分别与圆形贴片及倒U形微带线连接，第一矩形微带线的上端与两个开槽连接，下端与倒U形微带线的横向部分连接，
所述倒U形微带线内嵌倒U形缝隙8，所述倒U形缝隙内设置第二矩形微带线7，所述第二矩形微带线与边缘馈电网络9连接.
本实施例中第一矩形微带线的宽度为1.4mm，长度为7.4mm，所述倒U形微带线由一个横向微带线和两个对称的垂直微带线构成，所述垂直微带线宽度为0.4mm，长度为7.7mm。
所述倒U形缝隙的宽度为0.4mm，所述第二矩形微带线的宽度为1mm，长度为8mm。
所述两个开槽、第一矩形微带线、第二矩形微带线、倒U形缝隙、倒U形微带线、第二矩形微带线及边缘馈电网络均关于顶层介质基板纵轴对称。
微带耦合在电路上等效于一个LC谐振电路，在通带边缘产生了一个传输零点，实现滤波性能。
所述顶层金属地板设置矩形开槽10和H形开槽11，H形开槽设置在顶层介质基板的横轴下方，到地板下边缘的距离为15.4mm,矩形开槽位于横轴上方，到地板下边缘的距离为26.6mm,均关于纵轴对称。所述顶层介质基板及底层介质基板间隔一定距离设置，底层介质基板的上表面蚀刻人工磁导体结构16即AMC结构，具体由矩形贴片阵列构成，本实施例中由7╳4的矩形贴片阵列构成，相邻矩形贴片的间距为1mm，每个正方形贴片的边长为4.5mm，厚度为0.813mm。
本天线采用微带耦合馈电枝节中倒U形微带线、倒U形缝隙及边缘馈电网络组进行耦合馈电。
本实施例中，所述顶层介质基板1和底层介质基板15均采用RogersRO4003，其相对节点常数为3.55，电损耗角正切为0.0027，顶层介质基板1的长为40mm，宽为20mm，厚度为0.813mm，所述天线辐射单元和所述金属接地贴片的总体轮廓都为一矩形。所述AMC结构由周期性正方形贴片13组成，每个正方形贴片的间距14为1mm，每个正方形贴片的边长为4.5mm，厚度为0.813mm，所述周期性正方形贴片由7╳4个单元组成。顶层介质基板1与底层介质基板15中间高度为1.2mm。
图3(a)、图3(b)及图3(c)所示，具体的参数为圆形贴片直径D＝15.6mm，圆形贴片的对称开槽的长度为：D1L＝7.8mm，宽度为：D1W＝0.8mm。所述倒U形微带线的长度为：P1L＝7.7mm，宽度为：P1W＝0.4mm。所述倒U形微带枝节与内嵌的微带线的间隙距离为0.4mm，与圆形贴片连接的第一矩形微带线：M3L＝7.4mm，宽度为：M3W＝1.4mm，内嵌的第二矩形微带线的长度为：M2L＝8mm，宽度为：M2W＝1mm。边缘馈电网络长度为：M1L＝3.3mm，宽度为：M1W＝3mm。所述底层金属地板矩形开槽的长度为：A1＝4mm，宽度为：B1＝1mm，所述H形开槽的中间横杠长度为：A3＝2mm，宽度为：B3＝1mm，两边的竖杠长度为：A2＝3mm，宽度为：B2＝0.5mm。
人工磁导体结构的正方形贴片边长为：D＝4.5mm，相邻两个正方形贴片的间距为：S1＝2mm。
图4和图5(a)及图5(b)所示，本发明放置在皮肤、脂肪和肌肉三层人体组织模型上进行仿真，仿真时本发明紧贴人体表皮。本发明采用微带耦合馈电，耦合馈电结构为对称结构，通过耦合馈电和辐射贴片开矩形槽的结构，产生了LC谐振等效电路，从而产生了两个传输零点，实现了滤波的效果，通过一个倒U形的微带枝节和内嵌的微带线，增加了耦合区域，通过在天线下面加载一个AMC结构，提高了天线的增益和前后比，减小了人体对天线性能的影响。本发明实现了滤波效果，单频段(5.6–5.95GHz)工作，即工作于工业、科学、医学频段(ISM频段：5.725–5.875GHz)，通带内增益约6dBi，可用于穿戴设备的数据传输等功能。
该天线具有小型化、易集成、低剖面、高增益、抗干扰、可工作在ISM频段、可用于穿戴设备、具有滤波性能等优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于可穿戴设备的滤波天线，其特征在于，包括顶层介质基板、底层介质基板、天线辐射单元、顶层金属地板、底层金属地板及人造磁导体结构，所述顶层介质基板的上表面印制天线辐射单元，其下表面印制顶层金属地板，所述底层介质基板的上表面刻蚀人工磁导体结构，其下表面印刷底层金属地板；
所述天线辐射单元由圆形贴片及微带耦合馈电枝节结构构成；
所述圆形贴片内开有两个开槽，所述两个开槽由圆周向圆心处延伸，且相互平行，所述开槽为矩形；
所述微带耦合馈电枝节结构由第一矩形微带线、第二矩形微带线、倒U形微带线及边缘馈电网络构成，所述第一矩形微带线两端分别与圆形贴片及倒U形微带线连接，第二矩形微带线嵌入所述倒U形微带线内，第二矩形微带线与倒U型微带线之间形成倒U形缝隙，所述第二矩形微带线与边缘馈电网络连接；
在第一矩形微带线和圆形贴片连接处的两侧形成所述的两个开槽；
所述圆形贴片开设对称的两个所述开槽，使得滤波天线在某一频点处产生第一个传输零点，并在相应频点处的增益曲线上产生陷波，通过改变矩形槽的长度调节传输零点的位置；
通过所述倒U形微带线、倒U形缝隙及边缘馈电网络进行耦合馈电，产生第二个传输零点。
2.根据权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述顶层金属地板设置矩形开槽和H形开槽，所述矩形开槽和H形开槽关于顶层介质基板纵轴对称。
3.根据权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述人工磁导体结构由7╳4的矩形贴片阵列构成，相邻矩形贴片的间距为1mm。
4.根据权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述两个开槽、第一矩形微带线、第二矩形微带线、倒U形微带线及边缘馈电网络均关于顶层介质基板纵轴对称。
5.根据权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述顶层介质基板与底层介质基板的距离为1.2mm。
6.根据权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述倒U形缝隙的宽度为0.4mm。
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