CN111799552A - 一种低成本嵌入式可穿戴天线 - Google Patents

Abstract

本发明为一种低成本嵌入式可穿戴天线，包括辐射贴片(3)、带状线(4)和接地面(5)、上下两层PDMS介质基板；天线采用共面波导馈电方式进行馈电，即接地面(5)和辐射贴片(3)、带状线(4)在同一平面；辐射贴片、接地面、带状线均嵌入上下两层PDMS介质基板内，形成嵌入式结构。天线的中心频率为5.8GHz,在谐振频率处反射系数为‑26.20dB，工作带宽为5.25‑10.54GHz，能用于医疗服务5.725‑5.875GHz频段。具有超宽带特性等特点的同时，本发明稳定性更高、成本更低、加工更加方便。

Description

一种低成本嵌入式可穿戴天线

技术领域

本发明属于可穿戴天线技术领域，尤其涉及一种低成本嵌入式可穿戴天线，该天线为以聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料为介质基板，具有结构稳定、低成本、易加工的超宽带特性的柔性可穿戴天线。

背景技术

在2020年爆发的新型冠状病毒疫情中，由于病毒具有很强的传染性，需要保证医护人员与感染者保持一定的安全距离，同时能够实时监测病人的健康信息，无线可穿戴设备在这种情况下可以发挥重要的作用，所以本发明设计了一款可工作于医疗服务频段5.725-5.875GHz的可穿戴天线。

随着无线通信与物联网开始普及到人们日常生活的各个领域，巨大的科技进步与市场需求带动了无线人体局域网(WBAN)在工业、科技与医疗方面的飞速发展，尤其是在医疗领域，可穿戴设备已经成为医疗领域中WBAN系统基本组成部分，而可穿戴天线是设计可穿戴设备中重要的一环。

专为医疗服务的可穿戴天线必须满足重量轻，可弯曲性强，安全性高等特点，所以本发明选择了一种新型柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为天线的介质基板。聚二甲基硅氧烷是一种成本低，化学稳定性高，耐用性好的有机高分子材料，可以用作柔性材料集成到衣服上，作为天线基板用于可穿戴天线。

例如申请号为201910805353.1，专利名称为《一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线》的中国专利，PDMS介质基板的上侧设有辐射贴片和阻抗匹配传输线，接地板设于介质基板下侧，把辐射贴片直接加在PDMS基板上方，根据PDMS本身的材料特点，其与金属贴片的粘合性不高，直接放在PDMS很容易脱落，可耐用性低，且其工作带宽较窄。

发明内容

针对现有技术的缺点与不足，本发明的目的是提供一种低成本嵌入式可穿戴天线，该天线在满足能够应用于医疗领域、具有超宽带特性等特点的同时，本发明稳定性更高、成本更低、加工更加方便。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种低成本嵌入式可穿戴天线，包括辐射贴片(3)、带状线(4)和接地面(5)，其特征在于，该天线还包括上下两层PDMS介质基板；天线采用共面波导馈电方式进行馈电，即接地面(5)和辐射贴片(3)、带状线(4)在同一平面；辐射贴片、接地面、带状线均嵌入上下两层PDMS介质基板内，形成嵌入式结构。

所述辐射贴片的上半部分为两个半圆环拼接的弧形结构，辐射贴片的下半部分为矩形结构，上半部分和下半部分由带状线(4)连接形成一个整体，带状线位于上半部分和下半部分的中轴线上；带状线底部切去两个对称矩形延伸至介质基板的边缘；所述下半部分的矩形贴片的上方增加了两个对称的小矩形贴片，并在小矩形贴片下方靠近带状线的一侧进行了开槽处理，切去了两个对称的方形结构；接地面(5)为矩形环，将辐射贴片和带状线包裹起来，矩形环与带状线交界位置的接地面上设有宽度为5mm的缺口，该缺口能使带状线引至介质基板下边界，接地面与带状线之间具有间隙。

进一步，天线辐射贴片(3)嵌入下介质基板和上介质基板中间，下介质基板(1)厚度为2mm，上介质基板(2)厚度为1mm；所述的介质基板(1)(2)均为PDMS材料，相对介电常数为2.7，正切损耗为0.04。

所述小矩形贴片的内侧边缘距离带状线中心线的距离为11.3mm，小矩形贴片为长度为5mm，宽度为4mm的矩形结构；所述方形结构的边长为2mm，方形结构的内侧边缘到带状线中心线的距离为9.3mm；带状线(4)底部切除两个对称的长度为2.7mm,宽度为0.25mm的矩形结构；接地面(5)上边缘距离介质基板上边界5mm，左右边缘距离介质基板左右边界3mm，下边缘与介质基板的下边界对齐。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1、本发明天线采用简单的三层嵌入式结构，解决了PDMS与金属粘合性低的缺点，三层嵌入式结构更简单，便于加工制作。

2、仿真结果表明：本发明天线的中心频率为5.8GHz,在谐振频率处反射系数为-26.20dB，工作带宽为5.25-10.54GHz，具有超宽带特性，可用于医疗领域5.725-5.875GHz，同时在不同程度的弯曲情况下天线能够稳定的工作，且在人体表面工作时可以保持良好的性能。

3、由于采用了PDMS材料，天线的柔韧性强、耐用性高，提高了天线的耐用性以及可弯曲性，满足柔性天线的功能要求，同时由于嵌入式结构的设置，工作在人体表面以及在弯曲情况下天线性能依旧保持稳定，不会出现凸起现象，具有实用性。

4、本发明天线通过在辐射贴片下半部分矩形贴片上方增加矩形结构，下方开两个方形槽，以及在带状线上开方形槽的方法，延长了天线有效电流路径，拓宽了天线的工作带宽，降低了天线在工作频点的反射系数，降低了阻抗失配程度。

5、本发明可穿戴天线能在人体内部或附近工作，对人体的辐射较小。

附图说明

图1是本发明可穿戴天线一种实施例去掉上介质基板的俯视结构示意图。

图2是本发明可穿戴天线的侧视结构示意图。

图3是本发明可穿戴天线的反射系数图。

图4是本发明可穿戴天线的方向图。

图5是本发明可穿戴天线弯曲程度对天线反射系数的影响图。

图中，上介质基板2、下介质基板1、辐射贴片3、带状线4、接地面5。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

如图1、2所示一种低成本嵌入式可穿戴天线，包括上下两层PDMS介质基板(上介质基板2和下介质基板(1)、辐射贴片(3)、带状线(4)和接地面(5)；辐射贴片(3)、带状线(4)和接地面(5)构成辐射单元；辐射贴片(3)下层为PDMS下介质基板1，上层为PDMS下介质基板1，辐射贴片(3)嵌入双层PDMS中，由下半部分矩形贴片以及上半部分两个半圆环组成辐射贴片构成，二者通过带状线(4)连接在一起，带状线底部切去两个对称矩形改善天线性能，下半部分矩形贴片的上方增加了两个对称的小的矩形贴片，在下部分进行了开槽处理，切去了两个对称的方形结构，上下两部分结构由一段带状线相连接,接地面(5)为矩形环状结构。天线采用了共面波导馈电方式进行馈电，即接地面(5)和辐射贴片(3)、带状线(4)在同一平面，嵌入式的结构设计能够更好地将贴片稳定固定在PDMS介质基板中，不易剥离脱落。

图1中长度指竖直向上的方向，左右方向为宽度方向，内侧指靠近带状线中心线的一侧。本实施例中天线下介质基板1、上介质基板2的宽度均为88mm，长度均为66mm，下介质基板(1)厚度为2mm，上介质基板(2)厚度为1mm，辐射贴片(3)的下部分的矩形贴片上距离中心线11.3mm处增加了两个对称的长度为5mm，宽度为4mm的矩形结构，在矩形贴片的下方，距离中心线左右9.3mm处切除了两个长宽都为2mm的正方形结构，天线辐射贴片(3)的上部分的半圆环是由两个宽度为6.7mm的内圆环与宽度为5mm的外圆环组成，上下两部分结构由宽度为2.6mm的带状线(4)相连接，带状线(4)底部切除两个对称的长度为2.7mm,宽度为0.25mm的矩形结构。接地面(5)上边缘距离介质基板上边界5mm，左右边缘分别距离介质基板相应边界3mm，下边界与介质基板下边缘对齐，接地面是由四块5mm宽的矩形贴片组成，在带状线底部采用了共面波导馈电的方式，即带状线引至介质基板下边界，带状线所在下边缘附近的带状线设有带状线引出缺口。

如图2所示，本实施例中天线结构为嵌入式结构，辐射贴片(3)、带状线(4)、接地面(5)整体嵌入下介质基板(1)和上介质基板(2)中间，下介质基板(1)厚度为2mm，上介质基板(2)厚度为1mm。

图3是本实施例的反射系数曲线图，从图3中可以看出天线中心频率为5.8GHz，在谐振频率处反射系数为-26.20dB，工作带宽为5.25-10.54GHz，具有超宽带特性，可以实现超宽带的工作要求。

图4是本实施例的方向图，天线具有全向性。

图5是天线在不同弯曲半径下的反射系数，在弯曲半径R＝150mm情况下5.8GHz的反射系数为-24.19dB，天线的带宽为5.29-10.64GHz；在弯曲半径R＝100mm情况下5.8GHz的反射系数为-30.59dB，天线的带宽为5.42-10.73GHz；在弯曲半径R＝50mm情况下5.8GHz的反射系数为-23.32dB，天线的带宽为5.45-10.72GHz。由结果可知，天线的弯曲会对天线造成一定的影响，但是其带宽相对稳定，天线依旧可以正常工作。

相对于其他柔性材料，聚二甲基硅氧烷(PDMS)这种柔性材料具有生物相容性佳，耐用性好的显著优势，天线采用了嵌入式结构，是由上下两层PDMS基板、接地面以及辐射贴片构成，上层PDMS基板厚度为1mm，下层PDMS基板厚度为2mm，采用了共面波导的馈电方式，接地面与辐射贴片在同一层以便于更好的能嵌入PDMS中，仅由三层结构构成，更加简单易于加工。为了实现超宽带的同时尽可能减小天线的大小，辐射贴片上半部分采用了两个圆环拼接的半圆形结构，并且在天线的下方增加矩形结构以降低天线在医疗服务5.725-5.875GHz频段的阻抗失配程度，两部分结构通过带状线相连，并且通过在矩形贴片的上增加两个小矩形贴片，开槽处理，以及在带状线的底部切去了两个小矩形的设计方法，改变天线的有效电流路径，以改善天线的阻抗匹配，作为一个整体实现稳定的易加工的能工作在医疗服务判断的超宽带柔性天线，具有良好的市场应用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，改变辐射贴片、带状线和接地面的大小和尺寸，都应包含在本发明的保护范围内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种低成本嵌入式可穿戴天线，包括辐射贴片(3)、带状线(4)和接地面(5)，其特征在于，该天线还包括上下两层PDMS介质基板；天线采用共面波导馈电方式进行馈电，即接地面(5)和辐射贴片(3)、带状线(4)在同一平面；辐射贴片、接地面、带状线均嵌入上下两层PDMS介质基板内，形成嵌入式结构。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述辐射贴片的上半部分为两个半圆环拼接的弧形结构，辐射贴片的下半部分为矩形结构，上半部分和下半部分由带状线(4)连接形成一个整体，带状线位于上半部分和下半部分的中轴线上；带状线底部切去两个对称矩形延伸至介质基板的边缘；所述下半部分的矩形贴片的上方增加了两个对称的小矩形贴片，并在小矩形贴片下方靠近带状线的一侧进行了开槽处理，切去了两个对称的方形结构；接地面(5)为矩形环，将辐射贴片和带状线包裹起来。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述小矩形贴片的内侧边缘距离带状线中心线的距离为11.3mm，小矩形贴片为长度为5mm，宽度为4mm的矩形结构；所述方形结构的边长为2mm，方形结构的内侧边缘到带状线中心线的距离为9.3mm；带状线(4)底部切除两个对称的长度为2.7mm,宽度为0.25mm的矩形结构；接地面(5)上边缘距离介质基板上边界5mm，左右边缘距离介质基板左右边界3mm，下边缘与介质基板的下边界对齐。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，下介质基板(1)厚度为2mm，上介质基板(2)厚度为1mm；两个介质基板的相对介电常数为2.7，正切损耗为0.04。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，天线的中心频率为5.8GHz,在谐振频率处反射系数为-26.20dB，工作带宽为5.25-10.54GHz，能用于医疗服务5.725-5.875GHz频段。

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