CN112290211A - 一种用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线及其运行方法，天线包括柔性辐射体、短路金属柱、金属地板、介质基板以及馈电探针；介质基板设置在金属地板上，柔性辐射体设置在介质基板上，短路金属柱连接柔性辐射体和金属地板，柔性辐射体和短路金属柱设置有两组，柔性辐射体和短路金属柱组成复合左手传输线单元；柔性辐射体采用叉指电极，馈电探针设置在复合左右手传输线单元靠近边缘一侧的中部用于馈电；馈电探针穿过金属地板和介质基板与柔性辐射体电连接；利用复合左右手传输线的原理，将‑1阶、0阶和+1阶模式同时激励起来实现天线的三频化，使其分别0.408GHz‑0.440GHz，0.899GHz‑1.12GHz和2.116GHz‑2.534GHz频段内，相比传统的微带天线尺寸大大减小。

Description

一种用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线及其 运行方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线及其运行方法。
背景技术
随着体域网的不断发展，ISM(Industrial Scientific Medical Band)频段因为其自身独特的优势，如通信距离远，信号穿透力强，电磁绕射能力出众，适用于小数据量的通讯应用等，被广泛应用于医疗检测等可穿戴设备中。由于天线朝着小型化，多频化发展，为了进一步提高可穿戴设备的性能，如何进一步减小天线的剖面，增加天线工作频段用以满足多样化的通讯需求成为亟待解决的难题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线及其运行方法，通过调节一个周期单元的色散曲线来调控天线的谐振模式，使其谐振模式分别为-1阶模式(433MHz)、0阶模式(920MHz)和+1阶模式(2.45GHz)，利用合理的馈电位置激发三种模式使其产生谐振，实现天线的多频化，零阶模式和负阶模式的应用大大减小天线剖面，结构紧凑、辐射性能好可广泛应用于无线体域网。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，包括柔性辐射体、短路金属柱、金属地板、介质基板以及馈电探针；介质基板设置在金属地板上，柔性辐射体设置在介质基板上，短路金属柱连接柔性辐射体和金属地板，柔性辐射体和短路金属柱设置有两组，其中一个柔性辐射体和短路金属柱组成复合左右手传输线单元，另一个柔性辐射体和短路金属柱组成复合左右手传输线单元；柔性辐射体采用叉指电极，馈电探针设置在复合左右手传输线单元靠近边缘一侧的中部用于馈电；馈电探针穿过金属地板和介质基板与柔性辐射体电连接；
左手串联等效电容由柔性辐射体的叉指电极产生，左手并联等效电感由连接柔性辐射体和金属地板的短路金属柱产生，右手并联等效电容是由柔性辐射体和金属地板产生，右手串联等效电感是由柔性辐射体自身产生。
馈电探针采用同轴线缆。
柔性辐射体和金属底板采用柔性导电布制成。
柔性辐射体单侧附胶粘贴于介质基板上，金属底板单侧附胶粘贴于介质基板下。
介质基板的介电常数为1.3，损耗角正切为0.044。
叉指电极中电极对的数量为11，叉指电极宽度Pw＝36.0mm，相邻叉指之间的间隙Gap＝0.3mm，叉指端部到叉指电极边缘的距离Cw＝5.0mm，叉指电极的指长Pl＝21.0mm。
整体外部尺寸为：长宽L＝80.0mm，厚度H＝6mm，短路金属柱2的半径R＝0.4mm，叉指电极的宽度为Pw＝36.0mm。
基于本发明所述用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线的工作方法，电磁信号通过馈电探针输入，天线基于复合左右手传输线原理，其中左手电容柔性辐射体的叉指电极产生，左手电感是由短路金属柱产生，右手并联等效电容由柔性辐射体和金属地板产生，右手串联等效电感是由柔性辐射体自身产生；根据天线的谐振条件，当电长度为半波长的整数倍时，天线产生谐振，天线由两个复合左右手传输线单元组成，每个单元的相位延迟为90°时，即为1阶谐振，在电磁特性右手区域满足谐振条件即为正阶模式，在电磁特性左手区域满足谐振条件即为负阶模式，当相位延迟为0°时即为0阶模式，复合左右手传输线单元谐振的-1阶、0阶和+1阶谐振频率分别为433MHz，920MHz和2.45GHz。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述的三频段可穿戴天线基于复合左右手传输线的原理，使其工作在-1阶、0阶和+1阶模式下，实现天线小型化、多频化；利用复合左右手传输线的原理，将-1阶、0阶和+1阶模式同时激励起来实现天线的三频化，使其分别0.408GHz-0.440GHz，0.899GHz-1.12GHz和2.116GHz-2.534GHz频段内，而负阶模式的运用在不增加物理尺寸的前提下降低了谐振频率，在低频处天线尺寸为0.114λ×0.114λ×0.008λ，相比传统的微带天线尺寸大大减小；高度仅为最大工作波长的0.008倍，远小于同类型的其他天线，本发明所述天线在最低频段可实现-2.03dBi的最大实际增益，在中间频段可实现0.82dBi在最高频段可实现3.98dBi的最大实际增益，用柔性纺织材料制作，加工简单、质量轻、可广泛应用于无线体域网通信中。
附图说明
图1是本发明所述三频可穿戴天线的立体结构示意图。
图2是本发明所述三频可穿戴天线介质基板顶层结构示意图。
图3a是本发明所述三频可穿戴天线介质基板低层结构。
图3b是本发明所述三频可穿戴天线介质基板侧面示意图。
图4是仿真复合左右手传输线单元进行色散曲线仿真结果。
图5是实施例0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线的回波损耗仿真结果。
图6是实施例天线中不同交指个数的工作频段仿真结果。
图7是实施例天线中不同交指长度的工作频段仿真结果。
图8a为433MHz E面远场增益方向仿真结果。
图8b为433MHz H面远场增益方向仿真结果。
图9a为0.92GHz E面远场增益方向仿真结果。
图9b为0.92GHz H面远场方向仿真结果。
图10a为2.45GHz E面远场方向仿真结果。
图10b为2.45GHz H面远场方向仿真结果。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明实施方式不限于此。
参考图1、图2、图3a和图3b本发明提供用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，包括柔性辐射体1、短路金属柱2、金属地板3、介质基板5以及馈电探针4；介质基板5设置在金属地板3上，柔性辐射体1设置在介质基板5上，短路金属柱2连接柔性辐射体1和金属地板2，柔性辐射体1和短路金属柱2设置有两组，其中一个柔性辐射体1和短路金属柱2组成复合左右手传输线单元，另一个柔性辐射体1和短路金属柱2组成复合左右手传输线单元；柔性辐射体1采用叉指电极，馈电探针4设置在复合左右手传输线单元靠近边缘一侧的中部用于馈电；馈电探针4穿过金属地板3和介质基板5与柔性辐射体1电连接。
可选的，柔性辐射体1和金属底板3采用柔性导电布制成，
本发明所述天线的柔性辐射体由两个复合左右手传输线周期单元组成，其工作频率分别为433MHz，920MHz和2.45GHz。整体结构包括柔性金属地板1、柔性纺织材料制成的介质基板5、介质基板5上表面由导电胶带印制的柔性辐射体、柔性辐射体1中的每个周期单元一侧有接地的短路金属柱2，采用同轴线缆馈电，柔性纺织材料的介质基板和两个复合左右手传输线周期单元组成，通过调节一个周期单元的色散曲线来调控天线的谐振模式，使其谐振模式分别为-1阶模式(433MHz)，0阶模式(920MHz)和+1阶模式(2.45GHz)，利用合理的馈电位置激发三种模式使其产生谐振，实现天线的多频化，零阶模式和负阶模式的应用大大减小天线剖面，结构紧凑、辐射性能好可广泛应用于无线体域网。
本发明的0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线的辐射单元和背部地板可使用导电胶带粘贴、导电线缝制、电路板腐蚀、激光刻制、等成熟技术方便地加工制作。本发明的核心思想在于利用复合左右手传输线的原理，将-1阶、0阶模式和+1阶模式同时激励起来实现天线的三频化使其分别工作于433MHz，920MHz和2.45GHz频段，而负阶模式的运用在不增加物理尺寸的前提下降低了谐振频率，在低频处天线尺寸为0.114λ×0.114λ×0.008λ(λ为真空中433MHz频率对应的波长)，相比传统的微带天线尺寸大大减小。
图1、图2、图3a分别是本发明所述0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线的立体结构示意图、顶层结构示意图以及底层结构示意图，包括金属地板3、柔性纺织材料基板5、两个柔性辐射体1组成的复合左右手传输线单元、连接金属地板3和柔性辐射体1的两个短路金属柱2以及同轴线缆进行馈电的馈电探针4。每个复合左右手传输线单元分别由11个交叉分布的交叉导体手指和在复合左右手传输线单元一侧的短路金属柱2组成，复合左右手传输线单元关于天线本身的中心线呈对称分布，馈电探针4在复合左右手传输线单元一侧的中间位置馈电。
本发明的多天线工作如下：
电磁信号通过馈电探针4处输入，天线基于复合左右手传输线原理，其中左手电容由11个交叉导体手指组成的叉指电容产生，左手电感是由连接柔性辐射体1和金属地板3的短路金属柱2产生，右手并联等效电容是由柔性辐射体1和金属地板3产生，右手串联等效电感是由柔性辐射体1自身产生，由CST全波仿真软件对仿真复合左右手传输线单元进行色散曲线仿真得到图4结果，根据天线的谐振条件，当电长度为半波长的整数倍时，天线产生谐振。由于天线由两个复合左右手传输线单元组成，当每个单元的相位延迟βp为90°时，即为1阶谐振，在电磁特性右手区域满足谐振条件即为正阶模式，在电磁特性左手区域满足谐振条件即为负阶模式，当相位延迟为0°时即为0阶模式，复合左右手传输线单元谐振的-1阶、0阶和+1阶谐振频率分别为433MHz，920MHz和2.45GHz。
本发明的0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线采用导电胶带粘贴的形式，整体制作尺寸为L×L×H，柔性纺织材料基板的介电常数为1.3，损耗角正切为0.044，柔性辐射体的电导率为1.18×105。短路金属柱的半径为R，高度为H，金属地板的尺寸为L×L。
图5是实施例0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线的回波损耗仿真结果。三频段可穿戴天线在0.408GHz-0.440GHz，0.899GHz-1.12GHz和2.116GHz-2.534GHz频段内，反射系数小于-6dB，相对带宽分别为7.6％，21.9％和18.0％。
图6和图7分别为实施例天线不同交指个数和长度的仿真结果。可以看出随着交指个数的增加，天线整体的工作频段往低频移动，而随着交指长度的减小，天线整体的工作频段往高频移动，对2.45GHz频段影响较为明显。
图8a，图9a和图10a分别是实施例0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线在433MHz，920MHz和2.45GHz处的E面远场辐射方向图，图8b，图9b和图10b分别是实施例0.43/0.92/2.45GHz的三频段可穿戴天线在433MHz，920MHz和2.45GHz处的H面远场辐射方向图仿真结果，实际增益在三个频点分别为-2.03dBi，0.82dBi和3.98dBi。
本发明实施例所采用的几何参数选取分别为：L＝80.0mm，Pw＝36.0mm，Cw＝5.0mm，Pl＝21.0mm，Gap＝0.3mm，R＝0.4mm，H＝6mm。
上述实施例是本发明的优选实施方式，但不能认定本发明的实施方式仅限于此，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神实质与技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，都应视为属于由本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，其特征在于，包括柔性辐射体(1)、短路金属柱(2)、金属地板(3)、介质基板(5)以及馈电探针(4)；介质基板(5)设置在金属地板(3)上，柔性辐射体(1)设置在介质基板(5)上，短路金属柱(2)连接柔性辐射体(1)和金属地板(2)，柔性辐射体(1)和短路金属柱(2)设置有两组，其中一个柔性辐射体(1)和短路金属柱(2)组成复合左右手传输线单元，另一个柔性辐射体(1)和短路金属柱(2)组成复合左右手传输线单元；柔性辐射体(1)采用叉指电极，馈电探针(4)设置在复合左右手传输线单元靠近边缘一侧的中部用于馈电；馈电探针(4)穿过金属地板(3)和介质基板(5)与柔性辐射体(1)电连接；
左手串联等效电容由柔性辐射体(1)的叉指电极产生，左手并联等效电感由连接柔性辐射体(1)和金属地板(3)的短路金属柱(2)产生，右手并联等效电容是由柔性辐射体(1)和金属地板(3)产生，右手串联等效电感是由柔性辐射体(1)自身产生。
2.根据权利要求1所述的用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，其特征在于，馈电探针(4)采用同轴线缆。
3.根据权利要求1所述的用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，其特征在于，柔性辐射体(1)和金属底板(3)采用柔性导电布制成。
4.根据权利要求1所述的用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，其特征在于，柔性辐射体(1)单侧附胶粘贴于介质基板(5)上，金属底板(3)单侧附胶粘贴于介质基板(5)下。
5.根据权利要求1所述的用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，其特征在于，介质基板(5)的介电常数为1.3，损耗角正切为0.044。
6.根据权利要求1所述的用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，其特征在于，叉指电极中电极对的数量为11，叉指电极宽度Pw＝36.0mm，相邻叉指之间的间隙Gap＝0.3mm，叉指端部到叉指电极边缘的距离Cw＝5.0mm，叉指电极的指长Pl＝21.0mm。
7.根据权利要求6所述的用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线，其特征在于，整体外部尺寸为：长宽L＝80.0mm，厚度H＝6mm，短路金属柱2的半径R＝0.4mm，叉指电极的宽度为Pw＝36.0mm。
8.基于权利要求1所述用于433MHz/920MHz/2.45GHz的三频段可穿戴天线的工作方法，其特征在于，电磁信号通过馈电探针(4)输入，天线基于复合左右手传输线原理，其中左手电容柔性辐射体(1)的叉指电极产生，左手电感是由短路金属柱(2)产生，右手并联等效电容由柔性辐射体(1)和金属地板(3)产生，右手串联等效电感是由柔性辐射体(1)自身产生；根据天线的谐振条件，当电长度为半波长的整数倍时，天线产生谐振，天线由两个复合左右手传输线单元组成，每个单元的相位延迟为90°时，即为1阶谐振，在电磁特性右手区域满足谐振条件即为正阶模式，在电磁特性左手区域满足谐振条件即为负阶模式，当相位延迟为0°时即为0阶模式，复合左右手传输线单元谐振的-1阶、0阶和+1阶谐振频率分别为433MHz，920MHz和2.45GHz。
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