CN113904103A - 一种双频段双模式纽扣天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双频段双模式纽扣天线，属于可穿戴天线的设计与应用领域。该天线包括上下两块介质基板，通过硬质同轴线连接支撑；所述下层基板采用方形的柔性毛毡材料，毛毡背面为完整的金属贴片，所述上层基板采用FR4材料，上层基板正面为方形金属辐射贴片，所述方形金属辐射贴片上有切角，且方形金属辐射贴片上开了不对称的U型槽，从方形金属辐射贴片四边引出四根金属枝节，延伸到上层基板的边缘并弯曲，上层基板背面为略小于基板的圆形金属贴片，在圆形金属贴片上挖去一圆孔，以便连接馈电电缆向正面的辐射贴片馈电。本发明在不同频段呈现不同辐射模式，并且在定向模式下实现了圆极化效果。

Description

一种双频段双模式纽扣天线
技术领域
本发明涉及一种双频段双模式纽扣天线，属于可穿戴天线的设计与应用领域。
背景技术
无线体域网(Wireless Body Area Network，WBAN)是通过穿戴于体表或植入于体内的传感器和便携式设备建立的用于医疗、消费电子和个人娱乐等领域中的短距离、低功耗、高可靠性无线通信网络。按照参与通信的传感器所处位置的不同，其通信链路通常可分为体内通信、体表通信和体外通信。可穿戴天线是工作于人体周边，用于无线体域网通信的关键器件，考虑到实际应用中的需要，我们对可穿戴天线通常有以下要求：1)在不同的频段实现不同的辐射模式，其中全向辐射模式用于体表通信，定向辐射模式用于体外通信；2)天线物理尺寸较小，最好选用柔性材料，适合日常穿戴，且具有较强鲁棒性，即当人体活动造成天线结构发生形变时，对天线性能影响小；3)天线和人体之间的“耦合”较低，具体表现为天线性能受人体组织影响小，天线的电磁辐射吸收率符合国际标准。
发明内容
为了解决现有可穿戴天线体积较大、不易于人体穿戴、鲁棒性较差的问题，本发明提出了一种双频段双模式纽扣天线。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种双频段双模式纽扣天线，包括上下两块介质基板，通过硬质同轴线连接支撑；所述下层基板采用方形的柔性毛毡材料，毛毡背面为完整的金属贴片，所述上层基板采用FR4材料，上层基板正面为方形金属辐射贴片，所述方形金属辐射贴片上有切角，且方形金属辐射贴片上开了不对称的U型槽，从方形金属辐射贴片四边引出四根金属枝节，延伸到上层基板的边缘并弯曲，上层基板背面为略小于基板的圆形金属贴片，在圆形金属贴片上挖去一圆孔，以便连接馈电电缆向正面的辐射贴片馈电。
所述毛毡材料介电常数为1.2，损耗角正切为0.02。
所述FR4材料介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
所述圆形金属贴片上挖去的圆孔半径为1.6mm。
本发明的有益效果如下：
(1)在不同频段呈现不同辐射模式，并且在定向模式下实现了圆极化效果。
(2)天线尺寸较小，并且结合了柔性材料，适合人体穿戴。
(3)天线具有较强的鲁棒性，性能几乎不受柔性基板形变的影响。
(4)天线和人体之间的耦合较低，天线性能不易受人体影响，而且天线的电磁辐射吸收率较低。
附图说明
图1为天线整体的侧视图。
图2为天线整体的俯视图。
图3为上层基板的正面结构图。
图4为上层基板的背面结构图。
图5为自由空间和人体组织上的反射系数曲线图。
图6为平坦和弯曲时的S参数曲线图。
图7为天线工作在自由空间中的轴比曲线图。
图8为天线工作在自由空间中2.45GHz处XOY面的辐射方向图。
图9为天线工作在自由空间中2.45GHz处YOZ面的辐射方向图。
图10为天线工作在自由空间中5.8GHz处XOZ面的辐射方向图。
图11为天线工作在自由空间中5.8GHz处YOZ面的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明将可穿戴天线与衣物上的纽扣相结合，设计出的纽扣天线可以很方便地集成到衣物上，图1和图2展示了天线整体的侧视图和俯视图，天线包含两层基板，通过硬质同轴线连接支撑，下层基板采用方形的柔性毛毡材料，可以完美缝合到衣物上，毛毡的背面为完整的金属地面，在地面和基板中心开一圆孔，方便硬质同轴线穿过。图3和图4展示的是上层基板的上下表面结构，上层基板为一块圆形FR4(环氧树脂板)材料，正面包括一个开了U型槽的切角方形贴片和与之相连的弯曲枝节，通过在方形贴片上切角和开U型槽，可以在5.8GHz处实现定向圆极化辐射效果，弯曲枝节和硬质同轴线的外层金属用于激发类单极子的全向辐射模式，基板的背面是比基板略小的圆形金属地，在地上开一小孔，方便同轴内芯通过，向正面的辐射贴片馈电。天线共有两个金属地，其中上层基板的地作为高频段定向辐射的地，下层基板的地是低频段全向辐射的地，并且两层地的设计还可以进一步降低天线与人体之间的相互影响。本发明通过一个馈电点在两个不同频段实现不同的辐射模式，分别可用于体表通信和体外通信。天线的尺寸参数分别为：h1＝1.5mm，h2＝5mm，h3＝1.5mm，d1＝0.94mm，d2＝2.98mm，d3＝3.58mm，du＝2mm，r1＝12.6mm，r2＝11.4mm，r3＝10mm，l1＝50mm，l2＝10mm，l3＝4mm，l4＝2.6mm，l5＝5.5mm，α＝65°，Wu＝0.4mm，Ws＝0.3mm，c＝3mm。
此尺寸参数系针对工作在2.45GHz与5.8GHz两个频段的优化结果。图5展示的是天线工作在自由空间和三层人体组织模型上方的反射系数，当天线工作在自由空间时，在2.45GHz和5.8GHz处匹配良好，并且带宽足以覆盖两个ISM(工业、科学和医疗)频段，当在三层人体组织上方5mm处时，天线的匹配略微变化，但依然能够完全覆盖两个ISM频段。图6是天线下层基板平坦时和沿半径为50mm圆柱弯曲时的反射系数，弯曲下层基板几乎不会对天线性能造成影响，由此可以得出该天线具有较强的鲁棒性。图7是天线在自由空间中工作的轴比，轴比小于3dB的带宽也足以覆盖5.725GHz-5.875GHz的目标频段。图8和图9展示的是2.45GHz处的方向图，天线的方向图类似单极子的辐射特性，主要沿着平行于人体的方向辐射，在XOY面表现出良好的全向性，最大增益约0.8dBi，不圆度小于0.2dB，天线沿着人体表面垂直极化，此时天线适用于体表通信。图10和图11是天线在5.8GHz处的方向图，天线沿着垂直于人体的方向辐射，最大增益约6.4dBi，此时天线实现圆极化辐射，用于体外通信。在CST仿真软件中建立皮肤、脂肪、肌肉三层人体组织模型，模拟天线对人体的影响，设置天线与人体之间的距离为5mm，用来模拟实际衣物的厚度，当天线的输入功率为0.5W时，仿真得到的SAR(电磁辐射吸收率)值结果如表1所示
表1SAR值仿真结果
Figure BDA0003252471720000051
在1g标准下，天线在2.45GHz和5.8GHz时的SAR值分别为1.03W/kg和0.11W/kg；在10g标准下，SAR值在2.45GHz与5.8GHz时分别为0.79W/kg和0.06W/kg，天线在两个工作频段的SAR值均能够满足欧盟和美国的标准，经计算，在1g标准和10g标准下，允许输入的最大功率分别为0.78W和1.27W，这足以满足体域网通信的需要。

Claims (4)

1.一种双频段双模式纽扣天线，其特征在于，包括上下两块介质基板，通过硬质同轴线连接支撑；所述下层基板采用方形的柔性毛毡材料，毛毡背面为完整的金属贴片，所述上层基板采用FR4材料，上层基板正面为方形金属辐射贴片，所述方形金属辐射贴片上有切角，且方形金属辐射贴片上开了不对称的U型槽，从方形金属辐射贴片四边引出四根金属枝节，延伸到上层基板的边缘并弯曲，上层基板背面为略小于基板的圆形金属贴片，在圆形金属贴片上挖去一圆孔，以便连接馈电电缆向正面的辐射贴片馈电。
2.根据权利要求1所述的一种双频段双模式纽扣天线，其特征在于，所述毛毡材料介电常数为1.2，损耗角正切为0.02。
3.根据权利要求1所述的一种双频段双模式纽扣天线，其特征在于，所述FR4材料介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
4.根据权利要求1所述的一种双频段双模式纽扣天线，其特征在于，所述圆形金属贴片上挖去的圆孔半径为1.6mm。
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