CN112952386A

CN112952386A - 可穿戴天线

Info

Publication number: CN112952386A
Application number: CN202110128338.5A
Authority: CN
Inventors: 陈智娇; 宋则宇; 亓丽梅; 俞俊生; 陈晓东
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: CN112952386B

Abstract

本公开涉及一种可穿戴天线。可穿戴天线包括：辐射元件；馈电网络部，设置成与人的手指相适配的圆环状结构，馈电网络部包括介质基板、设置在介质基板外表面的微带线和设置在介质基板内表面的接地层，辐射单元设置在馈电网络部的外侧且与微带线连接。本公开实施例的可穿戴天线结构较为简单，有利于实现小型化设计，以提高便携性，同时也有利于降低制作成本。另外，本公开实施例的可穿戴天线，其馈电网络部设置成圆环状结构，由此，使馈电网络部能够套在人的手指上，这样，可穿戴天线整体就具有了戒指的外观。也就是说，可穿戴天线可以伪装成戒指，一方面具有更好的隐蔽性，不易引起注意，另一方面也能够更好的与人体贴合，佩戴较为舒适。

Description

可穿戴天线

技术领域

本公开涉及无线通信技术领域，特别涉及一种可穿戴天线。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，无线电频谱的低端频率已趋于饱和，而毫米波具有丰富的频谱资源和高载波频率，故而，毫米波可以为未来的高速无线通信提供空前的机遇。目前，关于毫米天线的研究已经得到科研人员和研发工程师的广泛关注。其中，适用于毫米波的可穿戴天线是一个重要的研究方向之一。可穿戴天线不同于常规天线的最主要的特点是轻便，并且可植入衣物或贴附于人体表面，以使得其能够与人体环境相融合而不易引起注意。

目前已有的一些可穿戴天线较为常见的是依附于眼镜、臂章或智能手表等。可穿戴天线在健康医疗、体育赛事或军事等领域都具有广阔的应用前景。例如在健康医疗方面，可以将可穿戴天线和传感器一起放在人体上，通过传感器检测人体的相关参数并通过可穿戴天线将数据传输至网络终端，以便医生可以实时对病人的身体状态进行监测。又如在军事方面，执行任务者可以将可穿戴天线隐藏于身上，并在执行任务的过程中通过可穿戴天线传输信号给指挥中心，以使指挥中心能够实时获取相关信息。

然而，现有的可穿戴天线结构复杂、尺寸不够小巧。因此，亟需一种体积更小、便携性更高的适用于毫米波的可穿戴天线。

发明内容

本公开的目的在于提供一种体积小、便携性更好的可穿戴天线。为达到上述目的，本公开的技术方案如下：

本公开实施例提出了一种可穿戴天线，包括：辐射元件；馈电网络部，设置成与人的手指相适配的圆环状结构，所述馈电网络部包括介质基板、设置在所述介质基板外表面的微带线和设置在所述介质基板内表面的接地层，所述辐射单元设置在所述馈电网络部的外侧且与所述微带线连接。

根据本公开实施例的可穿戴天线，其包括辐射元件和馈电网络部，来自于外部的输入信号馈至馈电网络部后，沿馈电网络部的微带线进行传输，再耦合至辐射元件并通过辐射单元辐射至自由空间。本公开实施例的可穿戴天线结构较为简单，有利于实现小型化设计，以提高便携性，同时也有利于降低制作成本。另外，本公开实施例的可穿戴天线，其馈电网络部设置成圆环状结构，由此，使馈电网络部能够套在人的手指上，这样，可穿戴天线整体就具有了戒指的外观。也就是说，可穿戴天线可以伪装成戒指，一方面具有更好的隐蔽性，不易引起注意，另一方面也能够更好的与人体贴合，佩戴较为舒适。

另外，根据本公开实施例的可穿戴天线，还可具有如下附加的技术特征：

在本公开的一些实施例中，所述辐射元件为介质谐振器。

在本公开的一些实施例中，所述辐射元件的外形为钻石状。

在本公开的一些实施例中，所述辐射元件包括分别呈锥台状且大端相连接的第一部段和第二部段，所述第一部段设置在所述第二部段的背离所述馈电网络部的一侧。

在本公开的一些实施例中，所述第一部段和所述第二部段分别呈圆台状或正棱台状。

在本公开的一些实施例中，所述介质基板采用罗杰斯板材，所述介质基板的厚度为0.254mm。

在本公开的一些实施例中，所述介质基板的介电常数为3，和/或，所述接地层为金属地层。

在本公开的一些实施例中，所述微带线包括第一传输段和第二传输段，所述馈电网络部还包括信号输入元件，所述信号输入元件与所述第一传输段和所述第二传输段分别连接，所述信号输入元件配置为接收输入信号并将所述输入信号均匀地馈到所述第一传输段和所述第二传输段。

在本公开的一些实施例中，所述信号输入元件为具有一个信号输入端和两个信号输出端的T型功分器，所述两个信号输出端中的一个与所述第一传输段连接，所述两个信号输出端中的另一个与所述第二传输段连接。

在本公开的一些实施例中，所述第一传输段和所述第二传输段长度不等，长度差配置为使经过所述第一传输段到达所述辐射元件的信号与经过所述第二传输段到达所述辐射元件的信号之间形成180°的相位差。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或相关技术中的技术方案，下面对本公开实施例或相关技术描述中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公开的一些实施例，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它的附图。

图1为本公开实施例的可穿戴天线的整体结构示意图；

图2为本公开实施例的可穿戴天线的辐射元件的结构示意图；

图3为本公开实施例的可穿戴天线的馈电网络部的结构示意图；

图4为本公开实施例的可穿戴天线的馈电网络部在展开的状态下的示意图；

图5为本公开实施例的可穿戴天线的S参数的仿真结果；

图6为本公开实施例的可穿戴天线的辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1至图3所示，本公开实施例提供了一种可穿戴天线100。根据本公开实施例的可穿戴天线100包括辐射元件110和馈电网络部120。具体地，馈电网络部120设置成与人的手指相适配的圆环状结构，馈电网络部120包括介质基板121、设置在介质基板121外表面的微带线122和设置在介质基板121内表面的接地层123，辐射单元110设置在馈电网络部120的外侧且与微带线122连接。

根据本公开实施例的可穿戴天线100，其包括辐射元件110和馈电网络部120，来自于外部的输入信号馈至馈电网络部120后，沿馈电网络部120的微带线122进行传输，再耦合至辐射元件110并通过辐射单元辐射至自由空间。本公开实施例的可穿戴天线100适用于毫米波传输，并且可穿戴天线100结构较为简单，有利于实现小型化设计，以提高便携性，同时也有利于降低制作成本。另外，本公开实施例的可穿戴天线100，其馈电网络部120设置成圆环状结构，由此，使馈电网络部120能够套在人的手指上，这样，可穿戴天线100整体就具有了戒指的外观。也就是说，可穿戴天线100可以伪装成戒指，一方面具有更好的隐蔽性，不易引起注意，另一方面也能够更好的与人体贴合，佩戴较为舒适。

在本公开的一些实施例中，辐射元件110为介质谐振器，其具有较高的辐射效率，由此，使得可穿戴天线100能够高效地传输信号。

在本公开的一些实施例中，辐射元件110的外形为钻石状，由此，使得可穿戴天线100呈现出钻石戒指的外观，进一步加强了可穿戴天线100的伪装作用。

在本公开的一些实施例中，辐射元件110包括分别呈锥台状且大端相连接的第一部段111和第二部段112，第一部段111设置在第二部段112的背离馈电网络部120的一侧，由此，使得第一部段111和第二部段112组合在一起后，从外观上较为接近钻石，进而使可穿戴天线100整体具有钻石戒指的外观。

在一些具体的示例中，第一部段111和第二部段112可以为圆台状，从而方便加工，有利于提高加工效率。在另外一些具体的示例中，第一部段111和第二部段112可以为正棱台状，同样可以获得便于加工的效果。在其它的一些具体的示例中，也可以是第一部段111为圆台状，第二部段112为正棱台状，或者，第一部段111为正棱台状，第二部段112为圆台状，在上述情况下，也具有便于加工的效果。

在本公开的一些实施例中，介质基板121为罗杰斯板材。由于罗杰斯板材对能量的损耗较小，因此，介质基板121采用罗杰斯板材，可以减小信号在馈电网络部120传输时的损耗。

在本公开的一些实施例中，介质基板121的厚度为0.254mm，采用该材料最薄的板材，有利于将介质基板121卷成圆环状结构。

具体地，介质基板121可以选用介电常数为3的罗杰斯RT3003板材，其可以使介质谐振器具有较高的辐射效率。

进一步地，接地层123为金属地层，具体地，金属地层可以是在介质基板121的表面镀铜和/或镀金而形成的表层。

在本公开的一些实施例中，微带线122包括第一传输段1221和第二传输段1222。如图4所示，馈电网络部120还包括信号输入元件124(为方便观察，图4中将馈电网络部进行了展开处理，即将圆环状展开为平板状)，信号输入元件124与第一传输段1221和第二传输段1222分别连接，信号输入元件124配置为接收输入信号并将输入信号均匀地馈到第一传输段1221和第二传输段1222。

进一步地，信号输入元件124可以为具有一个信号输入端和两个信号输出端的T型功分器，两个信号输出端中的一个与第一传输段1221连接，两个信号输出端中的另一个与第二出传输段连接。来自于外部的输入信号可以通过信号输入端输入T型功分器的，T型功分器再将输入信号均匀地馈到第一传输段1221和第二传输段1222，从而，使得一部分信号通过第一传输段1221传输而到达辐射元件110，另一部分等幅信号通过第二传输段1222传输而到达辐射元件110。

在本公开的一些实施例中，第一传输段1221和第二传输段1222长度不等，并且，两者之间的长度差配置为使经过第一传输段1221到达辐射元件110的信号与经过第二传输段1222到达辐射元件110的信号之间形成180°的相位差。由此，使得馈电网络部120形成差分馈电的方式，这样可以实现较窄的天线波束的切换，从而有利于提高增益。

下面以一具体示例来说明书本公开实施例的有益效果：

在本实施例中，可穿戴天线100的介质谐振器由介电常数为8.2左右的材料制成，介质谐振器的第一部段111为圆台状，第二部段112为倒圆台状，并且，第一部段111的顶部半径和底部半径分别为2mm和3mm，第二部段112的顶部半径和底部半径分别为3mm和1.7mm。馈电网络部120的介质基板121选用介电常数为3的罗杰斯RT3003板材，厚度为0.254mm。另外，微带线122的第一传输段1221的长度为32.5mm，第二传输段1222的长度为29.5mm，微带线122的宽度为0.4mm，微带线122与介质基板121的边缘之间的距离为5mm。本实施例的信号输入元件124为T型功分器，其中，T型功分器的信号输入端采用宽度为0.55mm的微带线。该输入端能与50Ω射频接口匹配。

本公开实施例分别进行了4种状态的仿真，其中，状态1表示可穿戴天线100处于未穿戴的状态，状态2表示可穿戴天线100穿戴在一根手指上且周围不存在手指的状态，状态3表示可穿戴天线100穿戴在一根手指上且周围存在一根手指的状态，状态4表示可穿戴天线100穿戴在一根手指上且周围存在两根手指的状态。在仿真过程中，手指由皮肤、脂肪和骨骼构成，其相关的电气特性参数如表1所示：

人体组织	相对介电常数	电导率	损耗正切角
				脂肪	4.2647	0.93625	0.26309
皮肤	26.401	13.847	0.62855
				骨骼	6.8698	3.1355	0.54695

表1：手指各部分的电气特性参数

图5为本公开实施例的可穿戴天线100的S参数的仿真结果，图6为本公开实施例的可穿戴天线的辐射方向图。从图5和图6中可以看出，可穿戴天线100在上述4种状态下，其谐振点分别在30.6GHz、30.8GHz、31.5GHz和30.8GHz，说明在有手指穿过，即处于穿戴状态的情况下，可穿戴天线100的谐振频点得到了偏移，实现频率可重构特性，从而可实现不同的应用场景。另外，也证明了可穿戴天线100在两种可重构方向图的状态下都能保持良好的工作性能。同时采用毫米波频段能够实现高质量稳定的传输。此外，图6还展示了在不同谐振点时的方向图，可以看出，两种状态的方向图大体趋势相同，增益达到了8dBi且3dB波束宽度为64°，后瓣为-5dB。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。

Claims

1.一种可穿戴天线，其特征在于，包括：

辐射元件；

馈电网络部，设置成与人的手指相适配的圆环状结构，所述馈电网络部包括介质基板、设置在所述介质基板外表面的微带线和设置在所述介质基板内表面的接地层，所述辐射单元设置在所述馈电网络部的外侧且与所述微带线连接。

2.根据权利要求1所述的可穿戴天线，其特征在于，所述辐射元件为介质谐振器。

3.根据权利要求1所述的可穿戴天线，其特征在于，所述辐射元件的外形为钻石状。

4.根据权利要求3所述的可穿戴天线，其特征在于，所述辐射元件包括分别呈锥台状且大端相连接的第一部段和第二部段，所述第一部段设置在所述第二部段的背离所述馈电网络部的一侧。

5.根据权利要求4所述的可穿戴天线，其特征在于，所述第一部段和所述第二部段分别呈圆台状或正棱台状。

6.根据权利要求1所述的可穿戴天线，其特征在于，所述介质基板为罗杰斯板材，所述介质基板的厚度为0.254mm。

7.根据权利要求5所述的可穿戴天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为3，和/或，所述接地层为金属地层。

8.根据权利要求1所述的可穿戴天线，其特征在于，所述微带线包括第一传输段和第二传输段，所述馈电网络部还包括信号输入元件，所述信号输入元件与所述第一传输段和所述第二传输段分别连接，所述信号输入元件配置为接收输入信号并将所述输入信号均匀地馈到所述第一传输段和所述第二传输段。

9.根据权利要求8所述的可穿戴天线，其特征在于，所述信号输入元件为具有一个信号输入端和两个信号输出端的T型功分器，所述两个信号输出端中的一个与所述第一传输段连接，所述两个信号输出端中的另一个与所述第二传输段连接。

10.根据权利要求8所述的可穿戴天线，其特征在于，所述第一传输段和所述第二传输段长度不等，长度差配置为使经过所述第一传输段到达所述辐射元件的信号与经过所述第二传输段到达所述辐射元件的信号之间形成180°的相位差。