CN111224238A

CN111224238A - 一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线

Info

Publication number: CN111224238A
Application number: CN202010134736.3A
Authority: CN
Inventors: 刘雄英; 任琪欣
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-02-29
Filing date: 2020-02-29
Publication date: 2020-06-02

Abstract

本发明公开了一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线，包括金属辐射贴片、金属辐射地板及单层介质基板。所述金属辐射贴片及辐射地板均位于所述单层介质基板上表面。所述金属辐射贴片由猫形辐射金属及倒L形椭圆切角枝节构成，所述倒L形椭圆切角枝节长度为对应WLAN频段的中心频率对应波长的四分之一。所述辐射地板由一对大矩形、一对小矩形以及开口向两侧的U形槽组成。所述的辐射地板由一对大矩形、一对小矩形和向两侧开口的U形槽组成。所述介质基板使用的是柔性材料毛毡。本发明具有小型化、易集成、低剖面、高增益、抗干扰、可工作在UWB频段、可用于穿戴设备、具有陷波性能等优点，适用于人体局域网无线通信领域。

Description

一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线

技术领域

本发明涉及可穿戴设备领域，应用于人体局域网无线通信，具体涉及一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线。

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。

超宽带天线由于宽带可以处理由变形或者身体接近而引起的频偏，而且更大的带宽允许仅用一个天线即可覆盖多个应用频段，并支持更多用户，这意味着它可以重复使用，并允许保持天线的总数最低(S.Doddipalli，A.Kothari，and P.Peshwe.“A low profileultrawide band monopole antenna for wearable applications.”Int.J.AntennasPropag.，vol.2017，Aug.2017，Art.No.7362431.)。另一方面，超宽带天线有可能会受到来自WLAN、WiMAX等频段的干扰，所以滤除这些不需要的频段是非常有必要的。

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、集成陷波和天线两种功能的器件，即可穿戴陷波天线，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，本发明提供一种工作于UWB频段(3.1-10.6GHz)具有WLAN(3.3-3.7GHz)频段、WiMAX(5.25-5.825GHz)频段的双陷波的小尺寸、易集成、低剖面、可应用于可穿戴柔性超宽带双陷波天线。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线，包括介质基板、金属辐射贴片和辐射地板，其特征在于，所述金属辐射贴片与辐射地板均位于介质基板的上表面。

进一步地，所述介质基板采用柔性材料毛毡，相对介电常数为1.19，损耗角正切值为0.02，所述介质基板尺寸为45mm×31.5mm×2mm。

进一步地，所述金属辐射贴片主要由矩形微带线、猫形辐射金属，倒L形切角椭圆枝节组成，所述倒L形切角椭圆枝节、猫形辐射金属和矩形微带线依次连接；所述矩形微带线位于介质基板短边中点位置。

进一步地，所述猫形辐射金属主要由六个圆弧截去掉顶部的梯形后组成。

进一步地，所述倒L形切角椭圆枝节主要是由矩形条、截去切角的椭圆组成，所述矩形条与椭圆连接，矩形条与与猫形辐射金属连接。

进一步地，所述倒L形切角椭圆枝节长度约为对应WLAN频段中心频率的四分之一波长，在对应频段产生相应的陷波。

进一步地，所述倒L形切角椭圆枝节长度为20.5-21.1mm，所述的椭圆的长轴为7.7-8.3mm，短轴为0.9-1.5mm，所述切角距离椭圆中心5.9-6.5mm。

进一步地，所述辐射地板主要是由一对小矩形、一对大矩形和一对开口向外的U形槽组成；所述一对小矩形、一对大矩形和一对开口向外的U形槽分别对称的分布与所述矩形微带线的两侧，U形槽缺口外向布置。

进一步地，所述U形槽长度为对应WiMAX频段的中心频率对应波长的二分之一，使其在对应频段产生相应的陷波。

进一步地，所述小矩形宽度为4.3-4.7mm，长度为2.3-2.7mm；所述大矩形长度为18.8-20.2mm，宽度为14.1-14.5mm；所述U形槽的槽宽0.3-0.7mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)天线的金属辐射贴片呈猫形，在与人体衣物共型的时候具有一定的艺术感，可作为衣物新增的装饰品使用，增添美感。

(2)天线通过金属辐射贴片及其共面的辐射地板达到超宽带的效果。

(3)天线的介质基板采用柔性材料毛毡，在介质材料的选择方面可以大大降低成本的同时，很适合与人体衣物共型。

(4)天线通过L形切角椭圆枝节可以产生WLAN(3.3-3.7GHz)的陷波，通过一对缺口外向两侧的U形槽可以产生WiMAX(5.25-5.825GHz)的陷波，可以很好的抑制WLAN频段和WiMAX频段电磁波的接收或者发送，实现信息过滤功能。

附图说明

图1a是本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线的俯视图；

图1b是本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线的侧视图；

图2是本实施例本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线的参数图；

图3是本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线在三层人体组织模型仿真时的回波损耗系数仿真图；

图4是本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线在三层人体组织模型仿真时的驻波比仿真图；

图5a是本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线在5GHz上的XOY平面的增益图；

图5b是本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线在6GHz上的XOY平面的增益图；

图5c是本实施例一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线在8GHz上的XOY平面的增益图；

图6a是本实施例一种柔可穿戴柔性超宽带双陷波天线在5GHz上的YOZ平面的增益图；

图6b是本实施例一种柔可穿戴柔性超宽带双陷波天线在6GHz上的YOZ平面的增益图；

图6c是本实施例一种柔可穿戴柔性超宽带双陷波天线在8GHz上的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。

如图1a所示，一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线，主要是由介质基板1、辐射金属贴片2和辐射地板组成。所述的辐射金属贴片1和辐射地板位于介质基板的同一侧。

如图1b所述介质基板1采用毛毡材料，尺寸为45mm×31.5mm，厚度h为2mm，相对介电常数为1.19，损耗角正切值为0.02。

所述金属辐射贴片2主要由矩形微带线6、猫形辐射金属8，倒L形切角椭圆枝节组成。所述倒L形切角椭圆枝节位于猫形辐射金属8的顶部；

所述猫形辐射金属8位于距离介质基板短边中点32mm的六个圆弧(9A、9B、9C、9D、9E、9F)截去顶部的梯形后组成。所述圆弧(9A、9B、9C、9D、9E、9F)直径为12mm。所述梯形上底为15.7mm，下底为7.7mm，高为4.1mm。

所述倒L形切角椭圆枝节主要是由矩形条7A、椭圆7B截去切角7C组成。所述矩形条7A长度H2为6.5mm，宽度W8为1mm。所述椭圆7长轴为8mm，短轴为1.2mm。所述切角7C在距离椭圆中心距离为6.2mm的位置截去椭圆的右边角。所述矩形条7A与猫形辐射金属8连接。

所述辐射地板主要是由一对小矩形(3A、3B)、一对大矩形(5A、5B)和一对开口向外的U形槽(4A、4B)组成。所述小矩形宽度W2为4.5mm，长度L2为2.5mm。所述大矩形长度L1为20mm，宽度W1为14.3mm。所述U形槽槽宽W为0.5mm，U形槽缺口外向两侧。

所述矩形微带线6位于介质基板1短边中点位置，与猫形辐射金属8的底部连接。所述矩形微带线6的宽度W3为3mm，长度L3为18.5mm。

所述一对小矩形(3A、3B)、一对大矩形(5A、5B)和一对开口向外的U形槽(4A、4B)分别对称的分布与所述矩形微带线6的两侧。

如图2所示，具体的参数为猫形辐射金属8的六个圆弧直径为：D＝12mm，截去的梯形上底为U2＝15.7mm，下底U1为7.7mm，高为H1＝4.1mm，截去梯形距离六个圆弧中心H3＝4.43mm，猫形辐射金属8距离矩形微带线6顶部为H4＝13.4mm，L形切角椭圆枝节的矩形条长度为H2＝6.5mm，宽度为W8＝1mm，椭圆位于矩形条上方，长轴为A1＝8mm，短轴为A3＝1.2mm，切角位置距离中心为A2＝6.2mm。

所述辐射地板的一对小矩形长均为L2＝2.5mm，宽均为W2＝4.5mm，一对大矩形长均为L1＝20mm，宽均为W1＝14.3mm，均与微带线距离为W6＝0.2mm，一对U形槽开口向两侧，U形槽水平方向距离大矩形为W5＝3mm，垂直方向距离大矩形为L5＝1.5mm，U形槽开口大小为L4＝2mm，U形槽宽度为W4＝0.5mm，U形槽长为LS＝26.8mm。

本实施例的天线仿真环境参数如表3所示，仿真环境为人体表皮。

表3天线仿真环境参数表

皮肤层：介电常数＝52.73，损耗角正切值＝1.74S/m
	脂肪层：介电常数＝52.73，损耗角正切＝1.74S/m
肌肉层：介电常数＝52.73，损耗角正切＝1.74S/m

如图3、图4和图5a、图5b和图5c所示，采用共面波导馈电，整体结构匹配情况良好，金属辐射贴片2上加上切角椭圆枝节，该枝节在WLAN(无线局域网)(3.3-3.7GHz)产生与原来金属辐射贴片相反的电流，抵消WLAN(3.3-3.7GHz)金属辐射贴片2上的部分电流，可以产生WLAN(3.3-3.7GHz)频段的陷波，在共面金属辐射地板上开了一对开口向两侧的U形槽，该枝节在WiMAX(5.25-5.825GHz)产生与原来辐射地板相反的电流，抵消辐射地板WiMAX(5.25-5.825GHz)部分电流，可以产生WiMAX(全球微波介入互操作性)(5.25-5.825GHz)频段的陷波，实现了WLAN频段和WiMAX频段的陷波功能，使用柔性材料毛毡可以很好的与人体衣物共型，可用于穿戴设备的数据传输等功能，图6a、图6b和图6c是本实施例一种柔可穿戴柔性超宽带双陷波天线在5GHz、6GHz和8GHz上的YOZ平面的增益图。该天线具有小型化、易集成、低剖面、高增益、抗干扰、可工作在UWB(超宽带)频段、可用于穿戴设备、具有WLAN、WiMAX陷波的性能等优点。

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

1.一种可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，包括介质基板（1）、金属辐射贴片（2）和辐射地板，所述金属辐射贴片（2）与辐射地板均位于介质基板的上表面。

2.根据权利要求1所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述介质基板（1）采用柔性材料毛毡，相对介电常数为1.19，损耗角正切值为0.02,所述介质基板尺寸为45 mm×31.5 mm×2 mm。

3.根据权利要求1所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述金属辐射贴片（2）主要由矩形微带线（6）、猫形辐射金属（8），倒L形切角椭圆枝节组成，所述倒L形切角椭圆枝节、猫形辐射金属（8）和矩形微带线（6）依次连接；所述矩形微带线（6）位于介质基板（1）短边中点位置。

4.根据权利要求3所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述猫形辐射金属（8）主要由六个圆弧（9A、9B、9C、9D、9E、9F）截去顶部的梯形后组成。

5.根据权利要求3所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述倒L形切角椭圆枝节主要是由矩形条（7A）、截去切角（7C）的椭圆（7B）组成，所述矩形条（7A）与椭圆（7B）连接，矩形条（7A）与与猫形辐射金属（8）连接。

6.根据权利要求3所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述倒L形切角椭圆枝节长度约为对应WLAN频段中心频率的四分之一波长，在对应频段产生相应的陷波。

7.根据权利要求6所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述倒L形切角椭圆枝节长度为20.5-21.1 mm，所述的椭圆的长轴为7.7-8.3 mm，短轴为0.9-1.5 mm，所述切角距离椭圆中心5.9-6.5 mm。

8.根据权利要求1所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述辐射地板主要是由一对小矩形（3A、3B）、一对大矩形（5A、5B）和一对开口向外的U形槽（4A、4B）组成；所述一对小矩形（3A、3B）、一对大矩形（5A、5B）和一对开口向外的U形槽（4A、4B）分别对称的分布与所述矩形微带线（6）的两侧，U形槽缺口外向布置。

9.根据权利要求8所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述U形槽长度为对应WiMAX频段的中心频率对应波长的二分之一，使其在对应频段产生相应的陷波。

10.根据权利要求8所述的可穿戴柔性超宽带双陷波天线，其特征在于，所述小矩形宽度为4.3-4.7 mm，长度为2.3-2.7 mm；所述大矩形长度为18.8-20.2 mm，宽度为14.1-14.5mm；所述U形槽的槽宽0.3-0.7 mm。