CN108649334A - 双频带双极化可穿戴中继天线 - Google Patents

双频带双极化可穿戴中继天线 Download PDF

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汤铭
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Abstract

本发明公开了一种双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，该天线由三层金属层以及两层介质组成，中间层为天线的地面，顶部层和底部层是辐射贴片，顶部层与中间层设有第一层介质，底部层与中间层之间设有第二层介质。优点：本发明覆盖2.45GHz和5.8GHz的可穿戴应用，通过将两个辐射贴片放置在地平面的两侧，并分别设计，可以实现双波段的性能，但相互影响很小；此外，天线的双极化特性可以应用在不同的通信场景下；在我们的工作中，2.45GHz ISM带设计的圆极化属性和辐射束面向人体，用于与体内进行通信，而5.8GHz的ISM带则是采用单极子辐射模式，用于体外通信。

Description

双频带双极化可穿戴中继天线
技术领域
本发明涉及射频天线的技术领域，特别涉及一种双波频带双极化可穿戴天线。
背景技术
移动通信技术的迅猛发展，给人们的生活带来了巨大的影响和便利。随着人们对生活质量提高的日益渴求，人体中心无线网络，这个名词逐渐进入了大家的视野。所谓的人体中心无线网络，就是以人体为中心来组建的一个无线网络，各个设备通过这个无线网络进行互联，为使用者提供某些功能和便利。同时为了不给使用者造成不便，这些设备一般而言都是分割开的功能模块，有的植入人体，有的则是可穿戴的。因此，人体中心无线网络的应用，必然会给医疗，军队装备，个人识别，导航，娱乐等行业带来不可思议的变化。
各种设备要通过这个无线网络进行互联，那么信号的发送与接收是必不可少的，而天线的作用正是如此。但是由于人体中心无线网络的特殊性，能否实现在低功率下工作非常重要，这对人体有着巨大影响，因此对于可应用于人体中心无线网络中的可穿戴天线的研究，成了当务之急。针对人体健康问题的可穿戴设备越来越受到重视。为了维持人体内植入设备与体外监测设备之间的远距离通讯，需要一个双波段的中继天线来进行能量再生。
许多研究小组已经对双波段天线进行了人体可穿戴设备的研究。例如，设计了一种基于带状线结构的纺织微带贴片天线，实现了人体通信。而在另外一种解决方案中，采用了槽线结构，进行了人体通信。然而，他们只能实现单一频段的通信。在工业科学医学(ISM)常用频段2.45GHz(2.4-2.485GHz)和5.8GHz(5.725-5.875GHz)中，有通过双层的辐射贴片实现了双频带交换，这两个波段都具有线性极化特性。但对于人体内部的非固定植入物而言，圆极化特性是首选，因为它能提供更好的抗极化失配和多径干扰的能力。因此有方案提出了一种双波段双极化天线，并在5.8GHz ISM波段实现了圆极化性能。然而，如果应用于与植入物的通信，更低的频率意味着较低的组织损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种新型的双波段双极化可穿戴天线，覆盖2.45GHz和5.8GHz的可穿戴应用，实现双波段的性能，但相互影响很小。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，该天线由三层金属层以及两层介质组成，中间层为天线的地面用于减少辐射贴片的背向辐射以及不同频段间的相互影响，顶部层和底部层是辐射贴片分别用于天线的高频部分和低频部分频点的实现，顶部层与中间层设有第一层介质用于降低天线的谐振频率，底部层与中间层之间设有第二层介质用于降低天线的谐振频率。
进一步的，所述顶部层采用圆形辐射贴片，圆形辐射贴片圆心处设有探针，用于将微带馈线输入的能量馈至贴片，在圆心辐射贴片上以探针为圆心的圆上均匀设置若干短路针，每根短路针的半径与探针半径相同，短路针用于实现单极子天线的辐射模式，调整短路针的数量和距离中心的距离来实现5.8GHz的所需操作频率和单极子天线的辐射模式。
进一步的，所述中间层采用共面波导馈电结构，通过探针与顶部层和底部层的辐射贴片相连接。
进一步的，所述底部层采用正方形贴片，在正方形贴片的对角线上使用截断角，用于实现圆极化特性。
进一步的，所述正方形贴片上在靠近馈电端口一侧中央设有矩形突出部分，用于改善天线的阻抗匹配。
进一步的，底部层设有馈电探针，用于将微带馈线输入的能量馈至底部方形贴片，并在同轴馈线一圈引入环形间隙，用于进行电容补偿。
进一步的，所述介质采用FR4介质，其中第一层介质厚度为1.2mm，第二层介质的厚度为3.6mm。天线的两层介质的厚度是分别基于目标谐振点，结合阻抗带宽得出的较为平衡的结果。
本发明所达到的有益效果：
本发明覆盖2.45GHz和5.8GHz的可穿戴应用，通过将两个辐射贴片放置在地平面的两侧，并分别设计，可以实现双波段的性能，但相互影响很小；此外，天线的双极化特性可以应用在不同的通信场景下；在我们的工作中，2.45GHz ISM带设计的圆极化属性和辐射束面向人体，用于与体内进行通信，而5.8GHz的ISM带则是采用单极子辐射模式，用于体外通信；主要可以应用于体内设备和体外设备间的中继天线。
附图说明
图1是本发明的天线结构示意图，其中图1(a)为天线俯视图、1(b)天线底视图以及1(c)为天线侧视图；
图2(a)是顶部层结构示意图，2(b)是中部层结构示意图，2(c)是底部层结构示意图；
图3是天线的轴比参数和S11；
图4(a)是天线在2.45GHz xoz面辐射方向图，4(b)是天线在2.45GHz yoz面辐射方向图，4(c)是天线在5.8GHz xoz面辐射方向图，4(d)是天线在5.8GHz xoy面辐射方向图。
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。
图1(a)-(c)展示了的天线的结构，该天线由三层金属层组成，还有两层FR4介质(εr＝4.4，tanδ＝0.02，εr为相对节点常数，tanδ为损耗正切角)。中间层是天线的地面，而顶部层和底部层是辐射块，通过将地面平面放置在两个辐射贴片之间的中间层，可以减小两个所需波段之间的相互影响，每个贴片可各用于一个需要的频带。如图1(c)所示，顶部与中间层之间的FR4高度为1.2mm，而底层与中间层之间的FR4高度为3.6mm。由于该天线是针对可穿戴设备提出的，所以采用共面波导馈电结构代替同轴探头来避免接触。
图2显示了三个金属层的详细结构。如图2(a)所示的顶部层，是一个由半径为0.5mm的探针馈电的圆形贴片。此外，该贴片通过12个均匀分布在以Z轴为圆心的圆上的短路针短路，每根短路针的半径为0.5mm。短路针用于实现类似于单极子天线的辐射模式。因此，可以通过调整短路针的数量和距离中心的距离来实现5.8GHz的所需操作频率和类似于单极子天线的辐射模式。在实际应用中，通过将圆形辐射贴片放置在远离人体的那侧，即可在5.8GHz ISM波段实现与人体接收设备的稳定通信。
如图2(b)所示结构的中间层为共面波导馈电结构，通过探针与顶部和底部的辐射贴片相连接。通过将地面平面放置在两个辐射贴片之间的中间层，可以减小两个所需波段之间的相互影响。
如图2(c)所示，在2.45GHz ISM频段内，它是面向人体进行通讯的正方形贴片。通过在贴片的对角线上使用截断角，可以实现圆极化特性。此外，还采用了方形突出部分来改善天线的阻抗匹配。此外，在馈电探头引入采用了宽0.5mm的环形间隙来进行电容补偿，通过上述方法，可以提高轴比带宽和频带带宽。
图3给出了在自由空间中模拟的|S11|和所建议天线的AR，其中|S11|表示天线所接端口反射系数的幅值，AR表示天线的极化轴比。对于2.45GHz的ISM波段，可以实现从2.41到2.49GHz(|S11|小于-10db)约3.27％的频带带宽，并且从2.43到2.46GHz(小于3dB)的轴比带宽可以达到1.22％。而对于5.8GHz的ISM波段，可以实现从5.17到6.09GHz约15.86％的带宽，。图4显示了天线的模拟辐射模式，模拟峰值增益在2.45GHz为0.28dBi,5.8GHz为2.64dBi。从图4(a)，(b)可以看出，沿-z轴方向在2.45GHz可以得到右旋圆极化属性，这意味着与植入物的通信可以通过圆极化特性的实现。此外，从图4(d)我们可以看出，在5.8GHz的情况下，可以实现类似于单极子的辐射模式。仿真结果表明，该天线适用于可穿戴设备作为中继天线。
本文提出了一种双频双极化天线作为中继天线。多层式结构包含两个辐射贴片，用于在所需的波段实现不同的谐振频率。该天线采用共面波导的方式在中间层进行馈电，在顶部层和底部层分别放置两个贴片，以减小其相互影响。通过在底层使用截断块，可以利用圆极化属性实现2.45GHz的共振，用于与植入物进行通信。在5.8GHz ISM频段，用于体外通信，引入了短路的圆形贴片，形成了具有线性极化特性的单轴辐射模式。仿真结果表明，该天线适用于可穿戴设备。
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)

1.一种双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，该天线由三层金属层以及两层介质组成，中间层为天线的地面用于减少辐射贴片的背向辐射以及不同频段间的相互影响，顶部层和底部层是辐射贴片分别用于天线的高频部分和低频部分频点的实现，顶部层与中间层设有第一层介质用于降低天线的谐振频率，底部层与中间层之间设有第二层介质用于降低天线的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，所述顶部层采用圆形辐射贴片，圆形辐射贴片圆心处设有探针，用于将微带馈线输入的能量馈至贴片，在圆心辐射贴片上以探针为圆心的圆上均匀设置若干短路针，每根短路针的半径与探针半径相同，短路针用于实现单极子天线的辐射模式，调整短路针的数量和距离中心的距离来实现5.8GHz的所需操作频率和单极子天线的辐射模式。
3.根据权利要求1所述的双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，所述中间层采用共面波导馈电结构，通过探针与顶部层和底部层的辐射贴片相连接。
4.根据权利要求1所述的双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，所述底部层采用正方形贴片，在正方形贴片的对角线上使用截断角，用于实现圆极化特性。
5.根据权利要求4所述的双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，所述正方形贴片上在靠近馈电端口一侧中央设有矩形突出部分，用于改善天线的阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，底部层设有馈电探针，用于将微带馈线输入的能量馈至底部方形贴片，并在同轴馈线一圈引入环形间隙，用于进行电容补偿。
7.根据权利要求1所述的双频带双极化可穿戴中继天线，其特征是，所述介质采用FR4介质，其中第一层介质厚度为1.2mm，第二层介质的厚度为3.6mm。
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