CN116231279B - 一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，包括：第一介质基板、第二介质基板、主辐射贴片、寄生贴片单元、直流偏置电路、地板，第一介质基板的上表面印刷有主辐射贴片与四个寄生贴片单元；第二介质基板的下表面印刷有直流偏置电路和地板，第一介质基板与第二介质基板相互平行，且第一介质基板的中心位置、第二介质基板的中心位置之间的连线与第一介质基板垂直。该面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线具有以下优点：（1）结构简单，设计方便；（2）具有多个辐射模式、且为垂直极化；（3）在辐射结构中引入顶端加载贴片和短路柱，实现低剖面；（4）直流偏置电路的电源从天线地板引入，减少直流偏置电路对天线射频性能的影响。

Description

一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线

技术领域

本发明涉及可穿戴天线技术领域，具体涉及一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的迅速发展，天线作为无线通信中必不可少的用来发射或接受无线电波的部件，也得到了飞速发展。其中，可穿戴天线是安装在人体、动物等身体上的天线，在医疗健康和军事安全等领域得到广泛应用。

为了减少人体姿态运动带来的可穿戴设备位置变化对天线性能的影响，提高天线辐射性能，同时，对不需要接收信号的方向起屏蔽作用，可穿戴波束可重构天线被提出。

波束可重构天线在保持天线极化方式与工作频段不变的情况下，改变方向图形状或主波束辐射方向。改变天线主波束辐射方向的一般方法是相控阵技术，但是相控阵需要较多天线单元，占用空间较大，馈电系统复杂，使得系统成本增加。另一些利用跳变驱动器在可穿戴天线上仅实现了全向和定向两种辐射模式，无法实现水平面的波束扫描，结构复杂，尺寸较大，无法满足可穿戴设备的需求。

发明内容

本申请实施例提供了一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，该天线基于单极子辐射体结构，具有结构简单、设计方便、多辐射模式可切换、垂直极化的特点。

本申请提供了一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，所述天线包括：第一介质基板、第二介质基板、主辐射贴片、寄生贴片单元、直流偏置电路、地板，所述第一介质基板的上表面印刷有所述主辐射贴片与四个所述寄生贴片单元；所述第二介质基板的下表面印刷有所述直流偏置电路和所述地板，所述第一介质基板与所述第二介质基板相互平行，且所述第一介质基板的中心位置、所述第二介质基板的中心位置之间的连线与所述第一介质基板垂直。

可选的，在一种可能的实现方式中，所述主辐射贴片的中心位置与同轴线内导体连接，所述主辐射贴片的一侧通过短路金属柱接地。

可选的，在一种可能的实现方式中，主辐射体是顶部贴片加载的具有垂直极化特性的单极子结构。

可选的，在一种可能的实现方式中，所述四个寄生贴片单元环绕在主辐射贴片的周围，呈中心对称设置，且每个寄生贴片依次通过短路金属柱、位于所述第二介质基板上表面的开关二极管、短路接地的焊盘与地板连接。

可选的，在一种可能的实现方式中，当目标寄生贴片单元连接的开关二极管导通，而所述四个寄生贴片单元中除了所述目标寄生贴片单元以外的其他寄生贴片单元所连接的开关二极管断开时，所述目标寄生贴片单元的电长度大于半波长，所述目标寄生贴片起到反射器的作用，所述目标寄生贴片的波束指向目标寄生贴片单元的反方向。

可选的，在一种可能的实现方式中，所述直流偏置电路通过所述直流偏置电路中包含的直流馈电贴片进行直流馈电，所述直流馈电贴片与开关二极管的阳极相连，所述直流偏置电路通过所述开关二极管和短路接地的焊盘回流至地板；所述直流馈电贴片与所述地板之间的缝隙加载有电容，射频电流可从所述电容上通过，而直流信号无法从所述电容通过，以保持射频连续性并防止直流源短路。

可选的，在一种可能的实现方式中，所述天线中包含的四个二极管分别指向第一方向、第二方向、第三方向与第四方向，所述第一方向、第二方向、第三方向与第四方向均位于同一个平面上且互不相同，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第二方向与所述第三方向垂直，所述第三方向与所述第四方向垂直，所述第四方向与所述第一方向垂直，当指向第一方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第一方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第一辐射模式，辐射方向图朝第三方向辐射；当指向第二方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第二方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第二辐射模式，辐射方向图朝第四方向辐射；当指向第三方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第三方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第三辐射模式，辐射方向图朝第一方向辐射；当指向第四方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第四方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第四辐射状态，辐射方向图朝第二方向辐射。

可选的，在一种可能的实现方式中，所述天线可应用于可穿戴设备，所述可穿戴设备包括头盔、衣服及耳机。

可选的，在一种可能的实现方式中，所述第一介质基板与第二介质基板厚度均为0.508毫米，地板直径为40毫米，主辐射贴片的直径为14.2毫米，寄生贴片单元的长宽分别为9毫米和6毫米。

可选的，在一种可能的实现方式中，所述天线可实现水平方向90°、180°、270°和360°的覆盖水平全向的垂直极化辐射。

本申请提供了一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，所述天线包括：第一介质基板、第二介质基板、主辐射贴片、寄生贴片单元、直流偏置电路、地板，所述第一介质基板的上表面印刷有所述主辐射贴片与四个所述寄生贴片单元；所述第二介质基板的下表面印刷有所述直流偏置电路和所述地板，所述第一介质基板与所述第二介质基板相互平行，且所述第一介质基板的中心位置、所述第二介质基板的中心位置之间的连线与所述第一介质基板垂直。该面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线具有以下优点：

(1)结构简单，设计方便；

(2)具有多个辐射模式、且为垂直极化；

(3)在辐射结构中引入顶端加载贴片和短路柱，实现低剖面；

(4)直流偏置电路的电源从天线地板引入，减少直流偏置电路对天线射频性能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明申请实施例技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线中第一介质基板上表面的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线中第二介质基板上表面的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种直流偏置电路的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线在不同辐射状态下的S参数图；

图6是本申请实施例提供的一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线在不同辐射状态下归一化辐射方向图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中出现的术语“和/或”，可以是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本申请中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

现有的方向图可重构天线结构复杂，尺寸较大，无法满足可穿戴设备的需求。所以，本申请提供了一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，请参见图1至图3。

本申请提供的种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，可以包括：第一介质基板8、第二介质基板9、主辐射体贴片1、寄生贴片单元2、直流偏置电路3、地板4，所述第一介质基板8的上表面印刷有所述主辐射体贴片1与四个所述寄生贴片单元2；所述第二介质基板9的下表面印刷有所述直流偏置电路3和所述地板4，所述第一介质基板8与所述第二介质基板9相互平行，且所述第一介质基板8的中心位置、所述第二介质基板9的中心位置之间的连线与所述第一介质基板8垂直。

所述主辐射体贴片1的中心位置与同轴线内导体7连接，所述主辐射体贴片1的一侧通过与主辐射体贴片1对应的短路金属柱6接地。

主辐射体1是顶部贴片加载的具有垂直极化特性的单极子结构。

所述四个寄生贴片单元2环绕在主辐射体贴片1的周围，呈中心对称设置，且每个寄生贴片单元2依次通过与寄生贴片单元2对应的短路金属柱5、位于所述第二介质基板9上表面的开关二极管12、短路接地的焊盘15与地板4连接。每个寄生贴片单元都有一个唯一的短路金属柱、唯一的开关二极管、唯一的焊盘连接的。其中，该开关二极管、焊盘均位于第二介质基板9的上表面。

具体请参见图3，开关二极管、电感、焊盘、直流馈电贴片、焊盘均位于所述第二介质基板9上表面，对应一个直流馈电贴片(与地板隔离开)、电容均位于所述第二介质基板9下表面。开关二极管的阳极连接所述第二介质基板9上表面的焊盘，该焊盘连接寄生贴片单元的短路金属柱，该焊盘通过电感连接了直流馈电贴片，该直流馈电贴片通过金属短路柱连接位于第二介质基板9下表面的对应直流馈电贴片，位于第二介质基板9下表面的对应直流馈电贴片通过电容与地板连接。开关二极管的阴极连接所述第二介质基板9上表面的短路焊盘，短路焊盘通过其短路金属柱与地板直接相连接。直流电的正极接在位于第二介质基板9下表面的对应直流馈电贴片上，并连接到开关二极管的阳极。直流电的负极接在地板上，并连接到开关二极管的阴极。

当目标寄生贴片单元连接的开关二极管12导通，而所述四个寄生贴片单元2中除了所述目标寄生贴片单元以外的其他寄生贴片单元所连接的开关二极管12断开时，所述目标寄生贴片单元的电长度大于半波长，所述目标寄生贴片单元起到反射器的作用，所述目标寄生贴片单元的波束指向目标寄生贴片单元的反方向。其中，电长度指的是实际的物理尺寸除以介电常数相关的式子。半波长指的是天线工作频率对应的电磁波波长的一半。该目标寄生贴片单元可以为该四个寄生贴片单元2中的任意一个。

所述直流偏置电路3通过所述直流偏置电路3中包含的直流馈电贴片16进行直流馈电，所述直流馈电贴片16与开关二极管12的阳极相连，所述直流偏置电路3通过所述开关二极管12和短路接地的焊盘15回流至地板4；所述直流馈电贴片16与所述地板4之间的缝隙加载有电容14，射频电流可从所述电容14上通过，而直流信号无法从所述电容14通过，以保持射频连续性并防止直流源短路。

更具体的，图4为直流偏置电路示意图，直流偏置电路在第二层介质基板下方的直流馈电贴片16进行直流馈电，并通过金属通孔17、位于直流馈电贴片上方的贴片18、电感13与开关二极管12阳极连接，再通过开关二极管12和短路接地的焊盘15回流至地板4。地板4与直流馈电贴片16之间的缝隙通过电容14连接保持射频连续性并防止直流源短路。

所述天线中包含的四个二极管12分别指向第一方向、第二方向、第三方向与第四方向，所述第一方向、第二方向、第三方向与第四方向均位于同一个平面上且互不相同，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第二方向与所述第三方向垂直，所述第三方向与所述第四方向垂直，所述第四方向与所述第一方向垂直，当指向第一方向的二极管12处于导通状态，且指向除所述第一方向以外其他方向的二极管12处于截止状态时，所述天线处于第一辐射模式，辐射方向图朝第三方向辐射；当指向第二方向的二极管12处于导通状态，且指向除所述第二方向以外其他方向的二极管12处于截止状态时，所述天线处于第二辐射模式，辐射方向图朝第四方向辐射；当指向第三方向的二极管12处于导通状态，且指向除所述第三方向以外其他方向的二极管12处于截止状态时，所述天线处于第三辐射模式，辐射方向图朝第一方向辐射；当指向第四方向的二极管12处于导通状态，且指向除所述第四方向以外其他方向的二极管12处于截止状态时，所述天线处于第四辐射状态，辐射方向图朝第二方向辐射。

具体的，请参见图2或图3，以X轴和Y轴作为参照，

当X轴正向的开关二极管12闭合处于导通状态，其余开关二极管处于截止状态，天线处于第一辐射模式状态，辐射方向图朝X轴负向辐射；

当Y轴正向的开关二极管12闭合处于导通状态，其余开关二极管处于截止状态，天线处于第二辐射模式状态，辐射方向图朝Y轴负向辐射；

当X轴负向的开关二极管12闭合处于导通状态，其余开关二极管处于截止状态，天线处于第三辐射模式状态，辐射方向图朝X轴正向辐射；

当Y轴负向的开关二极管12闭合处于导通状态，其余开关二极管处于截止状态，天线处于第四辐射模式状态，辐射方向图朝Y轴正向辐射。

所述天线可应用于可穿戴设备，所述可穿戴设备包括头盔、衣服及耳机。

所述第一介质基板8与第二介质基板9厚度均为0.508毫米，地板4直径为40毫米，天线高度为11毫米，主辐射体贴片1的直径为14.2毫米，寄生贴片单元2的长宽分别为9毫米和6毫米。馈电金属柱15和金属柱18的距离为19毫米，馈电金属柱15和短路金属柱16的距离为2.3毫米，馈电金属柱15、短路金属柱16和金属柱18的直径分别为0.5毫米、1.6毫米和0.5毫米。

图5为本申请实施例提供的面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线处于四种辐射模式工作状态的S参数仿真性能，由图可知天线处于不同工作模式的共同阻抗带宽为2.35GHz-2.45GHz，满足2.4GHzWiFi频段的通信需求。

图6给出了本申请提供的面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线在不同工作模式下2.4GHz的辐射方向图，由图可知天线可以工作在四种工作模式，天线可以实现水平方向φ＝90°、180°、270°和360°的覆盖水平全向的垂直极化辐射。

本申请提供了一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，所述天线包括：第一介质基板8、第二介质基板9、主辐射体贴片1、寄生贴片单元2、直流偏置电路3、地板4，所述第一介质基板8的上表面印刷有所述主辐射体贴片1与四个所述寄生贴片单元2；所述第二介质基板9的下表面印刷有所述直流偏置电路3和所述地板4，所述第一介质基板8与所述第二介质基板9相互平行，且所述第一介质基板的中心位置、所述第二介质基板的中心位置之间的连线与所述第一介质基板垂直。该面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线具有以下优点：

(1)结构简单，设计方便；

(2)具有多个辐射模式、且为垂直极化；

(3)在辐射结构中引入顶端加载贴片和短路柱，实现低剖面；

(4)直流偏置电路的电源从天线地板引入，减少直流偏置电路对天线射频性能的影响。

以上对本申请实施例所提供的一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，其特征在于，所述天线包括：第一介质基板、第二介质基板、主辐射贴片、寄生贴片单元、直流偏置电路、地板，

所述第一介质基板的上表面印刷有所述主辐射贴片与四个所述寄生贴片单元；

所述第二介质基板的下表面印刷有所述直流偏置电路和所述地板，所述第一介质基板与所述第二介质基板相互平行，且所述第一介质基板的中心位置、所述第二介质基板的中心位置之间的连线与所述第一介质基板垂直；

主辐射体是顶部贴片加载的具有垂直极化特性的单极子结构；

所述四个寄生贴片单元环绕在主辐射贴片的周围，呈中心对称设置，且每个寄生贴片单元依次通过短路金属柱、位于所述第二介质基板上表面的开关二极管、短路接地的焊盘与地板连接；

所述直流偏置电路通过所述直流偏置电路中包含的直流馈电贴片进行直流馈电，所述直流馈电贴片与开关二极管的阳极相连，所述直流偏置电路通过所述开关二极管和短路接地的焊盘回流至地板；

所述直流馈电贴片与所述地板之间的缝隙加载有电容，射频电流可从所述电容上通过，而直流信号无法从所述电容通过，以保持射频连续性并防止直流源短路。

2.根据权利要求1所述的面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，其特征在于，所述主辐射贴片的中心位置与同轴线内导体连接，所述主辐射贴片的一侧通过短路金属柱接地。

3.根据权利要求1所述的面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，其特征在于，所述天线中包含的四个二极管分别指向第一方向、第二方向、第三方向与第四方向，所述第一方向、第二方向、第三方向与第四方向均位于同一个平面上且互不相同，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第二方向与所述第三方向垂直，所述第三方向与所述第四方向垂直，所述第四方向与所述第一方向垂直，

当指向第一方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第一方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第一辐射模式，辐射方向图朝第三方向辐射；

当指向第二方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第二方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第二辐射模式，辐射方向图朝第四方向辐射；

当指向第三方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第三方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第三辐射模式，辐射方向图朝第一方向辐射；

当指向第四方向的二极管处于导通状态，且指向除所述第四方向以外其他方向的二极管处于截止状态时，所述天线处于第四辐射状态，辐射方向图朝第二方向辐射。

4.根据权利要求1所述的面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，其特征在于，所述天线可应用于可穿戴设备，所述可穿戴设备包括头盔、衣服及耳机。

5.根据权利要求1所述的面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，其特征在于，

所述第一介质基板与第二介质基板厚度均为0.508毫米，地板直径为40毫米，主辐射贴片的直径为14.2毫米，寄生贴片单元的长宽分别为9毫米和6毫米。

6.根据权利要求5所述的面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线，其特征在于，

所述天线可实现水平方向90°、180°、270°和360°的覆盖水平全向的垂直极化辐射。