CN109742550B - 一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，该天线系统包括缝隙天线、介质材料B和AMC反射板，缝隙天线分为三层，中间层为天线介质基板A，在天线介质基板A上为金属层A1，其下为接地金属层A2，在缝隙天线上还设置天线馈电端口A3；AMC反射板分为三层，中间层为AMC反射板的介质基板C，在介质基板C上设置有三排且每排三个正方形贴片，在每个正方形贴片上均有米字形挖槽，在介质基板C下为地面金属层C10；介质材料B设置天线介质基板A和介质基板C之间。该天线系统由微带线侧馈电，AMC反射板形成高阻抗表面，该结构能够大幅提高天线增益，减小背向辐射，减小可穿戴天线的比吸收率，同时避免天线距离人体过近引起的耦合效应。

Description

一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统

技术领域

本发明属于天线制造的技术领域，具体的说是涉及一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，尤其是一种用于可穿戴领域高增益低背向辐射的天线。

背景技术

近年来，随着人体中心通信技术的快速发展，穿戴式电子产品逐渐普及，具备柔性、可形变、易穿戴特点的新型天线成为无线体域网（Wireless Body Area Network,WBAN）中研究的热点之一。传统的天线，例如单极子，偶极子天线，缝隙天线，倒F天线等应用于人体可穿戴系统时因其全向性的辐射使得靠近人体一端的辐射较大，从而影响人体健康，同时，由于该类天线辐射体和人体之间没有完整的地面，天线靠近人体组织时会有耦合效应，从而引起阻抗不匹配，生物剂量比吸收率（SAR）用于表征电磁辐射对人体的影响程度，己成为评价移动通信终端优劣的一个强制性指标。研究如何降低移动终端天线的SAR，具有重要的实际意义。

目前降低 SAR 的主要技术有：使用吸波、屏蔽、铁氧体、耗散材料，屏蔽其天线向人体方向发射电磁信号，从而降低 SAR 值；采用金属导电板将辐照到人体的电磁波反射到远离人体的方向，或者作为引向器，引导天线的方向图使其远离人体；加载超材料，超材料由于其独特电磁性质，近年来也渐渐被应用于实际中。其中，电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap, EBG）、频率选择表面等人造电磁材料（AMC）具有良好的反射性能；还有应用主从天线、可重构天线与传感器配合等降低SAR的技术。降低 SAR 的天线技术发展趋势已从传统技术转为与新技术、新材料的有机结合。

新型电磁材料的发展、人工磁导体（AMC）结构的研究及应用已经成为当前微波领域的热点之一，结构通常由介质基板上周期性排列的金属贴片构成，具有理想磁壁对平面波的同相位反射特性，可以用于提高天线及射频部件的整体性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种用于可穿戴领域低背向辐射的天线系统，该天线系统具有高增益，低背向辐射特性，同时避免天线近距离贴合人体时产生的耦合效应。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，该天线系统包括缝隙天线、介质材料B和AMC反射板， 缝隙天线分为三层，中间层为天线介质基板A，在天线介质基板A上为金属层A1，在天线介质基板A下为接地金属层A2，在缝隙天线上还设置天线馈电端口A3；AMC反射板分为三层，中间层为AMC反射板的介质基板C，在介质基板C上设置有三排且每排三个正方形贴片，分别为正方形贴片C1、正方形贴片C2、正方形贴片C3、正方形贴片C4、正方形贴片C5、正方形贴片C6、正方形贴片C7、正方形贴片C8和正方形贴片C9，在每个正方形贴片上均有米字形挖槽，在介质基板C下为地面金属层C10；介质材料B设置天线介质基板A和介质基板C之间。

本发明的天线系统中3*3单元也就是介质基板C上三排且每排三个结构的AMC反射板中，通过在9个正方形贴片上 米字形挖槽上延长表面感应电流路径，增大了AMC反射板形成高阻抗表面的并联等效电路的电感，在其工作频段减小了单个AMC单元尺寸，从而降低天线系统整体尺寸；

本发明通过在全向缝隙天线下方加载3*3单元AMC反射板，天线与AMC反射板中间有2-3mm厚度的介质材料B相隔，保证天线的良好匹配，利用AMC反射板的同相位反射特性提高了天线增益和辐射效率，同时大幅减小背向辐射和SAR，避免了强辐射对人体的危害和天线距离人体过近产生的耦合问题。

本发明的进一步改进在于：缝隙天线的金属层A1上有半径为R1的半圆形贴片，金属层A1由微带线与半径为R1的半圆形贴片连接，接地金属层A2为带有一个半径R2半圆挖槽的接地金属层，接地金属层A2的挖槽半圆半径R2比半圆形贴片的半径R1大，两个半圆圆心在同一点，半圆形贴片的圆弧与半径R2半圆挖槽的圆弧之间的缝隙间距相同。通过天线介质基板A上金属层A1上的半径为R1的半圆贴片与接地金属层A2上半径为R2的半圆挖槽之间的等距缝隙形成辐射缝隙，使天线工作在合适的频点，具有合适的带宽和较好的增益。

本发明的进一步改进在于：介质材料B的正面面积与天线介质基板A的正面面积相同，且介质材料B的介电常数为1，厚度为2-3mm。

本发明的进一步改进在于：每个米字形挖槽由四个矩形缝隙组成，每个矩形缝的长宽比值在4-6之间，且每个矩形隙中心重合，两两相差45°。

本发明的进一步改进在于：缝隙天线的金属层A1的半圆形贴片的圆心位置在正方形贴片C4与正方形贴片C6之间的缝隙的中点上。

本发明的有益效果是：本发明所提出的天线系统具有较高增益，能够有效减小背向辐射，SAR大幅减小的同时提高了辐射效率，避免了这类全向性天线的辐射对人体的危害和天线距离人体较近产生的耦合效应。

附图说明

图1 是本发明天线系统的全视图。

图2 是本发明天线系统的的主视图。

图3 是本发明天线系统的侧视图。

图4 是本发明天线系统中缝隙天线的全视图。

图5是本发明天线系统中缝隙天线的金属层A1的俯视图。

图6 是本发明天线系统中缝隙天线的接地金属层A2的俯视图。

图7 是本发明天线系统中介质材料B的结构示意图。

图8 是本发明天线系统中AMC反射板的结构示意图。

图9 是本发明天线系统的俯视图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1该天线系统的全视图，本发明是一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，该天线系统包括缝隙天线、介质材料B和AMC反射板，所述缝隙天线分为三层，中间层为天线介质基板A，在所述天线介质基板A上为金属层A1，在所述天线介质基板A下为接地金属层A2，在所述缝隙天线上还设置天线馈电端口A3，所述AMC反射板分为三层，中间层为AMC反射板的介质基板C，在所述介质基板C上设置有三排且每排三个正方形贴片，分别为正方形贴片C1、正方形贴片C2、正方形贴片C3、正方形贴片C4、正方形贴片C5、正方形贴片C6、正方形贴片C7、正方形贴片C8和正方形贴片C9，在每个正方形贴片上均有米字形挖槽，对贴片进行米字型挖槽，增大了其形成高阻抗表面等效谐振电路的电感，在有限的尺寸上降低其谐振频率，从而有效减小了单个AMC反射板的尺寸，3*3单元也就是横向和纵向均为三个的AMC的组合既获得良好的匹配与反射效果，也降低整体天线系统面积，如图2-3所示，在所述介质基板C下为地面金属层C10，所述介质材料B设置天线介质基板A和介质基板C之间，如图7所示，所述介质材料B的正面面积与所述天线介质基板A的正面面积相同，且所述介质材料B的介电常数为1，厚度为2-3mm，避免天线与AMC之间的耦合，保证天线的阻抗匹配，使AMC反射板获得较好的反射效果，天线馈电方式为微带线侧馈。

如图4-6所示，所述的缝隙天线可更换天线介质基板A以满足不同场景需求，所述缝隙天线的金属层A1上有半径为R1的半圆形贴片，所述金属层A1由微带线与半径为R1的半圆形贴片连接，所述接地金属层A2为带有一个半径R2半圆挖槽的接地金属层，所述接地金属层A2的挖槽半圆半径R2比半圆形贴片的半径R1大，两个半圆圆心在同一点，半圆形贴片的圆弧与半径R2半圆挖槽的圆弧之间的缝隙间距相同，从而使天线谐振点产生在较窄频带上，有助于提高增益，天线介质材料A可以改变，可调频点，天线的辐射是由地面上的电流产生辐射，天线介质材料A改变时，可以通过改变接地金属层A2上挖槽半圆的半径R2调整天线频点，通过调整微带线的长度和宽度调整天线阻抗匹配。

如图8所示的AMC反射板的介质基板C，介质基板可根据应用场景进行更换改变，即改变介电常数，介质基板C介电常数改变时，保持9个正方形贴片内米字形挖槽形状不变，介质基板上的九个正方形贴片内的米字形挖槽由四个矩形缝隙组成，每个所述米字形挖槽由四个矩形缝隙组成，每个矩形缝的长宽比值在4-6之间，且每个矩形隙中心重合，也就是说，矩形缝隙的长Ls与宽Ws比值在4-6之间，两两相差45°，矩形缝隙长度Ls比正方形贴片的边长小3-4mm，调整正方形金属贴片C1-正方形金属贴片C9边长可改变工作频带或使AMC同相位反射频带与天线工作频带一致。

如图9所示，天线介质基板A与所述介质材料B重叠，所述缝隙天线的金属层A1的半圆形贴片的圆心位置在所述正方形贴片C4与正方形贴片C6之间的缝隙的中点上，从而能够形成较好的匹配与反射效果，以此获得较好的阻抗匹配。

在制造上，该天线系统可用半导体制造工艺，3D打印工艺制作在介质上，FR4，Rogers系列，Polyimide，织物毛毡，PDMS等都可作为天线和AMC的介质材料，金属层可用铜片，银纳米线，石墨烯，导电织物等优良导电材料制作。

Claims (5)

1.一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，该天线系统包括缝隙天线、介质材料B和AMC反射板，其特征在于：

所述缝隙天线分为三层，中间层为天线介质基板A，在所述天线介质基板A上为金属层A1，在所述天线介质基板A下为接地金属层A2，在所述缝隙天线上还设置天线馈电端口A3；

所述AMC反射板分为三层，中间层为AMC反射板的介质基板C，在所述介质基板C上设置有三排且每排三个正方形贴片，分别为正方形贴片C1、正方形贴片C2、正方形贴片C3、正方形贴片C4、正方形贴片C5、正方形贴片C6、正方形贴片C7、正方形贴片C8和正方形贴片C9，在正方形贴片C1、正方形贴片C2、正方形贴片C3、正方形贴片C4、正方形贴片C5、正方形贴片C6、正方形贴片C7、正方形贴片C8和正方形贴片C9上均有米字形挖槽，在所述介质基板C下为地面金属层C10；

所述介质材料B设置天线介质基板A和介质基板C之间。

2.根据权利要求1所述一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，其特征在于：所述缝隙天线的金属层A1上有半径为R1的半圆形贴片，所述金属层A1由微带线与半径为R1的半圆形贴片连接，所述接地金属层A2为带有一个半径R2半圆挖槽的接地金属层，所述接地金属层A2的挖槽半圆半径R2比半圆形贴片的半径R1大，两个半圆圆心在同一点，半圆形贴片的圆弧与半径R2半圆挖槽的圆弧之间的缝隙间距相同。

3.根据权利要求1所述一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，其特征在于：所述介质材料B的正面面积与所述天线介质基板A的正面面积相同，且所述介质材料B的介电常数为1，厚度为2-3mm。

4.根据权利要求1所述一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，其特征在于：每个所述米字形挖槽由四个矩形缝隙组成，每个矩形缝的长宽比值在4-6之间，且每个矩形隙中心重合，两两相差45°。

5.根据权利要求2所述一种加载米字形人工磁导体的低背向辐射的天线系统，其特征在于：所述缝隙天线的金属层A1的半圆形贴片的圆心位置在所述正方形贴片C4与正方形贴片C6之间的缝隙的中点上。

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