CN109860998B - 一种可重构可穿戴微带天线 - Google Patents
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Abstract
一种可重构可穿戴微带天线，包括介质基板a，所述介质基板a的下方设有介质基板b，所述介质基板a与所述介质基板b之间设有金属地板，所述介质基板a上表面设有天线辐射单元，所述介质基板b的下表面设有馈电网络，所述馈电网络通过铜轴与所述天线辐射单元连接，所述馈电网络由馈线通过三个等功分功分器分成四个馈电支路，且每个所述馈电支路上都设有一个输出端口分别与所述铜轴连接，所述馈电网络上端的两个馈电支路上都设有二极管a和二极管b，本发明天线单元的旋转摆放以及不同的基板厚度更利于全向辐射模式的形成，天线馈电网络通过改变二极管的通断实现端口相位的改变，进而使得天线能够实现不同辐射模式的切换。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种可重构可穿戴微带天线。
背景技术
可穿戴天线（Wearable Antenna）, 是指采用特殊的方式或者特殊的材料,将天线集成于人体所经常穿戴的载体上。
可穿戴天线在医疗、军事等领域，都有着巨大的应用价值。在医疗方面，可以把天线、传感器和医疗设备一起放置在人体身上，通过天线把检测到的数据传送到网络终端，以便医生可以实时监测病人身体状态，这对老年人医疗保健的服务是非常值得期待的。在军事领域中，可穿戴天线相比于传统的头戴式天线，由于其体积小、便于携带和隐藏，将会得到广泛的应用。
由于可穿戴天线的工作环境为人体，人体各组织的介电常数都随频率而变化，所以人体建模对天线性能的仿真至关重要。同时由于人运动时身体位置的变化，所处的环境不同等因素都会影响信号的传播，所以有着单一辐射方向的天线已经很难满足通信的要求。比如说，当处在室外环境中，可穿戴天线系统能够接收到的大部分能量来自于爬行波，此时具有与人体表面平行的全向辐射模式的天线正适合接收沿身体表面传播的爬行波，而在室内环境中，除了沿人体表面传播的爬行波以外，由墙壁、地面及家具等所散射的电磁波也存在，这些能量就需要在垂直于身体表面方向没有明显的衰落的天线来接收。所以能够实现具有多种辐射模式的可穿戴天线具有重要的实用意义。
由于天线的辐射特性（包括谐振频率和辐射方向图）大部分由天线的形状和尺寸决定。于是，机械改变辐射天线的几何形状为构造可重构天线提供了一条途径。利用PIN二极管来设计频率可重构天线也受到广泛关注。大多数可重构天线都是基于这个原理设计的。然而，频率可重构也可以通过改变天线介质的特性来实现。
发明内容
（一）解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种可重构可穿戴微带天线，以解决上述背景技术中提出的实际问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可重构可穿戴微带天线，包括介质基板a，所述介质基板a的下方设有介质基板b，所述介质基板a与所述介质基板b之间设有金属地板，所述介质基板a上表面设有天线辐射单元，所述介质基板b的下表面设有馈电网络，所述馈电网络通过铜轴与所述天线辐射单元连接，所述馈电网络由馈线通过三个等功分功分器分成四个馈电支路，且每个所述馈电支路上都设有一个输出端口分别与所述铜轴连接，所述馈电网络上端的两个馈电支路上都设有二极管a和二极管b。
优选的，所述天线辐射单元为四个F型贴片组成的，且依次顺时针旋转90度设置在所述介质基板a的四个角上。
优选的，所述介质基板a长宽都为30mm，厚度为2mm。
优选的，所述基板为相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02的FR4基板。
优选的，所述介质基板b长宽都为30mm，厚度为1mm。
优选的，所述馈线材质为铜片。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一：天线的尺寸较小，不影响穿戴的舒适度，同时能够满足天线辐射特性的要求。
第二：天线阵列中天线单元的旋转摆放以及不同的基板厚度更利于全向辐射模式的形成。
第三：天线馈电网络通过改变二极管的通断实现端口相位的改变，进而使得天线能够实现不同辐射模式的切换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明字结构侧视图；
图3为本发明天线辐射单元结构示意图；
图4为本发明馈电网络结构示意图；
图5为本发明工作状态下的S11参数图；
图6为本发明全向模式时XY面方向图；
图7为本发明定向模式时XZ、YZ面方向图；
图8为本发明天线增益图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-介质基板a、2-介质基板b、3-天线辐射单元、4-金属地板、5-铜轴、6-馈电网络、601-馈线、602-等功分功分器、603-二极管a、604-二极管b、605-输出端口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种可重构可穿戴微带天线，包括介质基板a1，介质基板a1的下方设有介质基板b2，介质基板a1与介质基板b2之间设有金属地板4，介质基板a1上表面设有天线辐射单元3，介质基板b2的下表面设有馈电网络6，馈电网络6通过铜轴5与天线辐射单元3连接，馈电网络6由馈线601通过三个等功分功分器602分成四个馈电支路，且每个馈电支路上都设有一个输出端口605分别与铜轴5连接，馈电网络6上端的两个馈电支路上都设有二极管a603和二极管b604；天线辐射单元3为四个F型贴片组成的，且依次顺时针旋转90°设置在介质基板a1的四个角上；介质基板a1长宽都为30mm，厚度为2mm；基板1为相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02的FR4基板；介质基板b2长宽都为30mm，厚度为1mm；馈线601材质为铜片。
在本实施例中，天线设计时采用的基板均是相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02的FR4基板，但为了实现更好的全向辐射模式，上下层基板采用了不同的厚度，整个系统天线部分由4个平面倒F天线顺时针依次旋转90°得到，通过天线单元的旋转摆放可以得到更好的全向辐射性能，而底面馈电网络则由三个等功分功分器组成，并且通过相位变换段，实现端口相位的改变。馈电网络设置在天线底层，馈电点连接SMA接头，馈电网络6的四个输出端通过铜轴5分别连接天线的四个单元，为了控制馈电网络四个输出端口的幅值相位，将7个二极管分成两种类型，分别为二极管a（603）和二极管b（604），在馈线中相互连接。当二极管b（604）导通，二极管a（603）截止时，馈电网络的四个输出端口具有相同的幅值和相位，此时天线工作在全向模式下，实现全向辐射。当二极管a（603）导通，二极管b（604）截止时，馈电网络四个输出端口具有相同的幅值但实现了相位的改变，即馈电网络6的上部的两个端口与下部的两端端口有了180°的相位差，此时天线工作在定向模式下，实现定向辐射。
如图5所示本发明的回波损耗（S11）参数，从图中可以看出，天线在全向模式和定向模式下均能很好的覆盖5.8GHz频段。
如图6所示是天线在全向模式下XY面方向图，从图中可以看出，天线具有较好的平行于人体表面的全向辐射特性。
如图7所示是天线在定向模式下XZ、YZ面方向图，从图中可以看出，天线辐射主要集中在+Z轴方向，垂直于人体表面无明显衰落，辐射方向满足设计要求。
如图8为天线增益图，天线在谐振点5.8GHz附近的增益最大，但是由于馈电网络的加入，导致天线增益有所减小；同时，相比于全向辐射，定向辐射拥有更高的增益。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (5)
1.一种可重构可穿戴微带天线，其特征在于：包括介质基板a(1)，所述介质基板a(1)的下方设有介质基板b(2)，所述介质基板a(1)与所述介质基板b(2)之间设有金属地板(4)，所述介质基板a(1)上表面设有天线辐射单元(3)，所述介质基板b(2)的下表面设有馈电网络(6)，所述馈电网络(6)通过铜轴(5)与所述天线辐射单元(3)连接，所述馈电网络(6)由馈线(601)通过三个等功分功分器(602)分成四个馈电支路，且每个所述馈电支路上都设有一个输出端口(605)分别与所述铜轴(5)连接，
第一个所述馈电支路通过第一个输出端口(605)与第一个天线辐射单元(3)相连；第二个所述馈电支路的第一输出路径上设有两个二极管a(603)，第二输出路径上设有两个二极管b(604)，第一输出路径和第二输出路径的输出末端通过第二个输出端口(605)与第二个天线辐射单元(3)相连；第三个所述馈电支路的第一输出路径上设有两个二极管a(603)，第二输出路径上设有一个二极管b(604)，第一输出路径和第二输出路径的输出末端通过第三个输出端口(605)与第三个天线辐射单元(3)相连；第四个所述馈电支路通过第四个输出端口(605)与第四个天线辐射单元(3)相连；
所述天线辐射单元(3)为四个F型贴片组成的，且依次顺时针旋转90度设置在所述介质基板a(1)的四个角上；
当二极管b(604)导通，二极管a(603)截止时，馈电网络的四个输出端口具有相同的幅值和相位，此时天线工作在全向模式下，实现全向辐射；当二极管a(603)导通，二极管b(604)截止时，馈电网络(6)四个输出端口具有相同的幅值且馈电网络(6)的上部的两个端口与下部的两端端口有了180°的相位差，此时天线工作在定向模式下，实现定向辐射。
2.根据权利要求1所述的一种可重构可穿戴微带天线，其特征在于：所述介质基板a(1)长宽都为30mm，厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种可重构可穿戴微带天线，其特征在于：所述基板(1)为相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02的FR4基板。
4.根据权利要求1所述的一种可重构可穿戴微带天线，其特征在于：所述介质基板b(2)长宽都为30mm，厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种可重构可穿戴微带天线，其特征在于：所述馈线(601)材质为铜片。
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