CN111916905A - 一种可穿戴双频双极化天线及可穿戴终端设备 - Google Patents

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刘雄英
杨洪财
范艺
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Abstract

本发明公开了一种可穿戴双频双极化天线及可穿戴终端设备，包括辐射贴片、柔性介质基板、接地板及短路探针，所述辐射贴片设置在柔性介质基板的上表面，所述接地板设置在柔性介质基板的下表面，所述短路探针的两端分别与接地板及辐射贴片连接。该天线在具备双频双极化特性的基础上，具有双辐射模式，并且结构简单、剖面低和柔韧性好等优点。

Description

一种可穿戴双频双极化天线及可穿戴终端设备
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种可穿戴双频双极化天线及可穿戴终端设备。
背景技术
随着无线体域网的快速发展，可穿戴天线在远程医疗、战场通信、个人娱乐等方面起着重要的作用。可穿戴天线起着为可穿戴设备与其他设备进行无线数据传输的作用，提供了非常有前景的医疗护理和个人娱乐解决方案。可穿戴天线根据其辐射特性可应用于体表通信或体外通信，为此设计一个可穿戴双频天线来同时满足两个通信模式，可以为可穿戴设备减少占用空间和能量消耗，对可穿戴设备具有重要意义。
而现在大多数双频可穿戴天线设计成单辐射模式，只可用于其中一种通信模式。因为体表通信一般要求全向性辐射模式，使其很好地与穿戴在人体身上的各种传感器进行通信。而体外通信一般要求定向性辐射模式，使其增益提高并扩大传输距离。并且由于人体是不断运动的，可穿戴天线与外部设备存在严重的极化失配，所以对于体外通信一般还要求能抵抗极化失配的圆极化辐射模式。
目前能同时满足双频双辐射模式工作的可穿戴天线还较少，而且他们一般需要利用层叠结构或者多馈电方式实现，这无疑增加了天线的尺寸与制作难度。因此研究单层的双频双极化且有双辐射模式的可穿戴天线具有重要的参考价值和实际意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明首要目的是提供一种可穿戴双频双极化天线，该天线在具备双频双极化特性的基础上，具有双辐射模式，并且结构简单、剖面低和柔韧性好等优点。
本发明的次要目的是提供一种可穿戴终端设备。
本发明首要目的是采用如下技术方案：
一种可穿戴双频双极化天线，包括辐射贴片、柔性介质基板、接地板及短路探针，所述辐射贴片设置在柔性介质基板的上表面，所述接地板设置在柔性介质基板的下表面，所述短路探针的两端分别与接地板及辐射贴片连接。
所述辐射贴片包括两个切角及一个矩形缝隙，所述两个切角分别位于辐射贴片的两个对角上，所述矩形缝隙关于辐射贴片的竖向中轴线对称。
所述切角为等腰三角形或矩形。
优选的，还包括微带馈线，所述微带馈线的一端与辐射贴片电连接，另一端与外部馈源连接。
所述短路探针为两对，两对短路探针与辐射贴片的连接点分别位于辐射贴片的两条对角线上。
所述等腰三角形切角的直角边长为7mm～8mm。
所述矩形缝隙的长度为23mm～25mm，宽度为0.4mm～0.7mm，矩形缝隙的中心与辐射贴片上边缘的间距为5mm～6mm。
所述辐射贴片、微带馈线和接地板均由导电尼龙织物制成，导电尼龙织物的厚度为0.13mm，表面电阻率小于0.009欧姆每平方米。
所述柔性介质基板由羊毛毡材料制成，羊毛毡材料的厚度为2mm，介电常数为1.2，损耗正切为0.02。
本发明的次要目的采用如下技术方案实现：
一种可穿戴终端设备，包括所述的可穿戴双频双极化天线。
本天线的有益效果：
1、本发明天线采用全织物材料，辐射贴片和接地板为导电尼龙织物，介质基板为毛毡材料，均可弯曲，使得辐射贴片在复杂的环境下可以随着介质基板的形变而形变，并能保持天线的工作性能正常。
2、本发明天线采用单层介质基板，并具有完整地板结构，天线与人体很好共形的同时可以减小人体与天线之间的耦合作用，使天线性能不受影响。
3、本发明天线利用探针加载技术实现了双频双辐射模式工作，并且利用切角技术还实现双极化工作，相较层叠技术或多馈电技术，该天线结构简单，易加工，成本低。
4、本发明天线可以同时应用于体表通信和体外通信，在低频段实现垂直极化全向性辐射模式，用于体表通信，在高频段实现圆极化定向性辐射模式，用于体外通信。
附图说明
图1为本发明提供的可穿戴双频双极化天线的侧视结构图；
图2为本发明提供的可穿戴双频双极化天线的俯视结构图；
图3为本发明提供的可穿戴双频双极化天线的反射系数实测仿真对比图；
图4为本发明提供的可穿戴双频双极化天线的增益和轴比实测仿真对比图；
图5为本发明提供的可穿戴双频双极化天线在2.4GHz下的归一化辐射特性实测仿真对比图；
图6为本发明提供的可穿戴双频双极化天线在3.5GHz下的归一化辐射特性实测仿真对比图；
图7为本发明提供的可穿戴双频双极化天线在不同弯曲情况下的反射系数图；
图8为本发明提供的可穿戴双频双极化天线在2.4GHz下不同弯曲情况的归一化辐射特性图；
图9为本发明提供的可穿戴双频双极化天线在3.5GHz下不同弯曲情况的归一化辐射特性图。
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。
实施例1
如图1及图2所示，一种用于无线体域网的可穿戴双频双极化天线，该天线能够很好应用于可穿戴终端设备，其包括辐射贴片1、柔性介质基板2、接地板3、两对短路探针4及微带馈线7，所述柔性介质基板为单层。
所述辐射贴片1、柔性介质基板2和接地板3从上到下依次设置，具体地，辐射贴片1贴附在柔性介质基板2的上表面，接地板贴附在柔性介质基板2的下表面；所述两对短路探针4的一端与接地板3连接，短路探针4的另一端通过柔性介质基板2与辐射贴片1连接，所述微带馈线7上端与辐射贴片1电连接，利用微带馈线7馈电可以更好的与人体共形，微带馈线的宽度为5mm～6mm。
本实施例中，柔性介质基板由羊毛毡材料制成，其厚度为2mm，介电常数为1.2，损耗正切为0.02，整体尺寸为70mm×70mm×2mm。
如图2所示，所述辐射贴片1包括两个等腰三角形切角及一个矩形缝隙，所述等腰三角形切角也可以为矩形切角，两对短路探针与辐射贴片的连接点分别位于两条对角线上，通过电抗加载的技术实现双频双辐射模式工作，两对短路探针的结构相同，半径为0.5mm，间距为42mm。所述矩形缝隙关于辐射贴片竖向中轴线左右对称，在矩形缝隙的作用下，天线实现了很好的阻抗匹配。
通过电抗加载的技术实现双频双辐射模式工作，具体为，采用两对短路探针作为电抗加载，短路探针的加载首先会使得微带天线的基模(TM10)往高频处偏移，以此同时在低频段会产生一个类似偶极子的辐射模式，通过调节短路探针的间距和半径即可得到所需的两个模式。
本实施例中，矩形缝隙的长度为24mm，宽度为0.5mm，矩形缝隙中心点与辐射贴片的上边缘的距离为5mm。加载矩形缝隙5主要是为了得到一对相互正交的简并模式，进而实现圆极化性能。
所述两个等腰三角形切角6分别位于辐射贴片1的两个相对的角上，其中等腰三角形的直角边长为7mm。
上述实施例中，所述辐射贴片1、和接地板3均由导电尼龙织物材料制成，辐射贴片的尺寸51mm*51mm。
如图3所示，本实施例的天线工作在两个频段，从图中可以看出天线仿真和测试的结果十分吻合，微小的频偏主要来自于加工误差。该天线在低频段的实测-10-dB阻抗带宽为2.368GHz～2.467GHz；在高频段的实测-10dB阻抗带宽为3.395GHz～3.645GHz，本实施例的两个频段阻抗带宽都满足工作指标，天线在上述频段内具有良好的性能。
如图4所示，为本实施例的仿真和测试的轴比特性和增益特性，从图中可以看出该天线仿真和测试的轴比最小值在高频段均小于3dB，圆极化性能良好。在两个通带内的增益都比较平稳，峰值增益分别为1.38dBi和7.7dBi。
如图5所示，为本实施例在2.4-GHz医疗人体局域网频段下的仿真和测试辐射特性曲线图，从图中可以看出天线仿真和测试的结果十分吻合。在该频段下实现了很好的全向性辐射模式，在水平面上的交叉计划比大于18dB，可以很好的应用于体表通信。
如图6所示，为本实施例在3.5-GHz WiMAX频段下的仿真和测试辐射特性曲线图，从图中可以看出天线仿真和测试的结果十分吻合。在该频段下实现了很好的圆极化定向性辐射模式，在主方向上的交叉计划比大于19dB，可以很好的应用于体外通信。
如图7所示，为本实施例在不同弯曲条件下的反射系数曲线，从图中可以看出该天线在不同方向不同半径的弯曲条件下，阻抗特性在两个频段保持良好，天线具有非常好的鲁棒性。
如图8所示，为本实施例在2.4-GHz医疗人体局域网频段下的不同弯曲条件的辐射特性曲线图，从图中可以看出天线在结构变形下辐射特性保持一致。所有情况都实现了很好的全向性辐射模式，可以很好的应用于体表通信。
如图9所示，为本实施例在3.5-GHz WiMAX频段下的不同弯曲条件的辐射特性曲线图，从图中可以看出天线在结构变形下辐射特性略有轻微变化，但在所有情况下都实现了很好的定向性辐射模式，可以很好的应用于体外通信。
实施例2
一种可穿戴终端设备，包括实施例1中可穿戴双频双极化天线，该天线包括辐射贴片1、柔性介质基板2、接地板3、两对短路探针4及微带馈线7。
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 (10)

1.一种可穿戴双频双极化天线，其特征在于，包括辐射贴片、柔性介质基板、接地板及短路探针，所述辐射贴片设置在柔性介质基板的上表面，所述接地板设置在柔性介质基板的下表面，所述短路探针的两端分别与接地板及辐射贴片连接。
2.根据权利要求1所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，所述辐射贴片包括两个切角及一个矩形缝隙，所述两个切角分别位于辐射贴片的两个对角上，所述矩形缝隙关于辐射贴片的竖向中轴线对称。
3.根据权利要求2所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，所述切角为等腰三角形或矩形。
4.根据权利要求1或2或3所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，还包括微带馈线，所述微带馈线的一端与辐射贴片电连接，另一端与外部馈源连接。
5.根据权利要求3所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，所述短路探针为两对，两对短路探针与辐射贴片的连接点分别位于辐射贴片的两条对角线上。
6.根据权利要求3所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，所述等腰三角形切角的直角边长为7mm～8mm。
7.根据权利要求3所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，所述矩形缝隙的长度为23mm～25mm，宽度为0.4mm～0.7mm，矩形缝隙的中心与辐射贴片上边缘的间距为5mm～6mm。
8.根据权利要求4所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，所述辐射贴片、微带馈线和接地板均由导电尼龙织物制成，导电尼龙织物的厚度为0.13mm，表面电阻率小于0.009欧姆每平方米。
9.根据权利要求1所述的可穿戴双频双极化天线，其特征在于，所述柔性介质基板由羊毛毡材料制成，羊毛毡材料的厚度为2mm，介电常数为1.2，损耗正切为0.02。
10.一种可穿戴终端设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的可穿戴双频双极化天线。
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