CN117525826A - 基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纽扣天线紧凑小型化技术领域，尤其涉及一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，包括介质基板、微带线、曲面超材料结构、单极子金属柱、介质柱和圆形介质，通过将两个圆形介质上下相对设置，再使用单极子金属柱和介质柱分别连接两个圆形介质，让整体结构呈工字扣形状设置，再将介质基板与位于下方的圆形介质固定连接，把曲面超材料结构设置在两个圆形介质之间，最后把微带线设置在远离曲面超材料结构的一侧完成天线设计，本发明通过将天线能量汇聚于曲面超材料结构所在的方向，实现天线的单向辐射，同时相较于传统的平面超材料结构，使天线与超材料的间距缩小，且相应减少了天线的相关尺寸，实现了更为紧凑型的设计。
Description
技术领域
本发明涉及纽扣天线紧凑小型化技术领域，尤其涉及一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线。
背景技术
无线体域网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。体域网的体表无线能量传输技术将是未来的一个有效且绿色环保的充电方式，可以使用人体动能为置于体表的设备进行充电。这就要求相应的可充电天线具备小型化便携等基本特征。
然而小型化的纽扣天线在实现结构紧凑的同时容易受到影响，很难具备高定向性，进而影响天线的传输性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，旨在解决现有的纽扣天线的小型化便携等应用需求，同时使天线具有定向辐射特性且实现紧凑型设计，满足体域网无线能量传输要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，包括介质基板、微带线、曲面超材料结构、单极子金属柱、介质柱和圆形介质，两个所述圆形介质上下相对设置，所述单极子金属柱和所述介质柱分别连接两个所述圆形介质，整体呈工字扣形状设置，位于下方的圆形介质与所述介质基板固定连接，所述曲面超材料结构设置在两个所述圆形介质之间，曲面超材料结构的凹面面向所述单极子金属柱，所述微带线设置在所述介质基板上，位于远离所述曲面超材料结构的一侧。
其中，所述介质基板的介电常数为1.6，损耗角正切为0.02。
其中，所述单极子金属柱贯穿下方的圆形介质与所述微带线连接。
其中，所述介质柱与所述单极子金属柱同轴并位于所述单极子金属柱的上方。
其中，所述曲面超材料结构由金属层和空心圆柱形的介质层组成，金属层弯折后共形到外径8.6mm、内径6.6mm和高度9mm的介质层。
其中，所述曲面超材料结构的金属层包括2*3个平面单元结构，弯折后的曲率半径为4.3mm。
本发明提供了一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，包括介质基板、微带线、曲面超材料结构、单极子金属柱、介质柱和圆形介质，通过将两个圆形介质上下相对设置，再使用单极子金属柱和介质柱分别连接两个圆形介质，让整体结构呈工字扣形状设置，再将介质基板与位于下方的圆形介质固定连接，把曲面超材料结构设置在两个圆形介质之间，最后把微带线设置在远离曲面超材料结构的一侧完成天线设计，本发明通过将天线能量汇聚于曲面超材料结构所在的方向，实现天线的单向辐射，同时相较于传统的平面超材料结构，使天线与超材料的间距缩小，且相应减少了天线的相关尺寸，实现了更为紧凑型的设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，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他的附图。
图1是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的三维结构示意图。
图2是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的正视图。
图3是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的俯视图。
图4是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的侧视图。
图5是本发明的曲面超材料结构的金属层平面2*3结构单元示意图。
图6是本发明的平面结构弯曲成曲面结构的过程示意图。
图7是本发明从超材料单元结构的S参数提取的介电常数和磁导率示意图。
图8是本发明从超材料单元结构的S参数提取的折射率示意图。
图9是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的反射系数示意图。
图10是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的E面方向图。
图11是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的H面方向图。
图12是本发明的一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的实际增益曲线图。
1-介质基板、2-微带线、3-曲面超材料结构、4-单极子金属柱、5-介质柱、6-圆形介质。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1至图6，本发明提出了一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，包括介质基板1、微带线2、曲面超材料结构3、单极子金属柱4、介质柱5和圆形介质6，两个所述圆形介质6上下相对设置，所述单极子金属柱4和所述介质柱5分别连接两个所述圆形介质6，整体呈工字扣形状设置，位于下方的圆形介质6与所述介质基板1固定连接，所述曲面超材料结构3设置在两个所述圆形介质6之间，曲面超材料结构3的凹面面向所述单极子金属柱4，所述微带线2设置在所述介质基板1上，位于远离所述曲面超材料结构3的一侧。
所述介质基板1的介电常数为1.6，损耗角正切为0.02。
所述单极子金属柱4贯穿下方的圆形介质6与所述微带线2连接。
所述介质柱5与所述单极子金属柱4同轴并位于所述单极子金属柱4的上方。
所述曲面超材料结构3由金属层和空心圆柱形的介质层组成，金属层弯折后共形到外径8.6mm、内径6.6mm和高度9mm的介质层。由于空心圆柱形介质层包围着单极子金属柱4，为了体现单极子金属柱4的位置，在附图中对介质层进行透明化展示。
所述曲面超材料结构的金属层包括2*3个平面单元结构，弯折后的曲率半径为4.3mm。
具体的，所述介质基板1采用柔性织物介质，介质性能好，可有效共形到人体中，介电常数为1.6，损耗角正切为0.02。实施例选取的所述介质基板1的厚度为1.5mm，长度为30mm，宽度为25mm。所述介质基板1的尺寸影响天线的匹配和增益，且尺寸越大则增益越高。
所述微带线2位于远离所述曲面超材料结构3的一侧，长度为14mm，充当着单极子到接口的阻抗匹配作用。
所述介质柱5与所述单极子金属柱4的顶面相接，且半径与单极子金属柱4相同。
位于上方的圆形介质6位于介质柱5之上，形成一个纽扣的形状，同时与介质柱5保持接触。
位于下方的圆形介质6被所述单极子金属柱4贯穿，同时对所述单极子金属柱4具有一定的固定作用，并且具有介电常数的圆形介质具有一定的匹配作用。
请参阅图7，其是一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的超材料单元的介电常数和磁导率示意图。可以看出，超材料单元呈现负介电常数特性。
请参阅图8，其是一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的超材料单元的折射率示意图。可以看出，超材料单元的折射率近似等于零。
请参阅图9，其是一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的反射系数随频率变化的示意图。可以看出，加载超材料结构后，天线匹配仍保持良好，且实测和仿真结果基本一致。
请参阅图10，其是一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线在5.8GHz时的E面方向图。可以看出，本专利所提的纽扣天线具有单向辐射特性。
请参阅图11，其是一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线在8.5GHz时的H面方向图，实测和仿真数据吻合。
请参阅图12，其是一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线的实际增益图，天线在5.8GHz时有4.59dBi的增益，仿真和实测结果吻合。
进一步的，相对于现有技术，本发明所提出的基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线整体高度为11mm，其超材料结构具有近零折射率特征，将天线能量汇聚于超材料所在的方向，实现天线的单向辐射。相较于传统的平面超材料结构，曲面超材料结构使天线与超材料的间距缩小，且相应减少了天线的相关尺寸，实现了更为紧凑型的设计，适用于体表无线能量传输的应用场景。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，其特征在于，
包括介质基板、微带线、曲面超材料结构、单极子金属柱、介质柱和圆形介质，两个所述圆形介质上下相对设置，所述单极子金属柱和所述介质柱分别连接两个所述圆形介质，整体呈工字扣形状设置，位于下方的圆形介质与所述介质基板固定连接，所述曲面超材料结构设置在两个所述圆形介质之间，曲面超材料结构的凹面面向所述单极子金属柱，所述微带线设置在所述介质基板上，位于远离所述曲面超材料结构的一侧。
2.如权利要求1所述的基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，其特征在于，
所述介质基板的介电常数为1.6，损耗角正切为0.02。
3.如权利要求2所述的基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，其特征在于，
所述单极子金属柱贯穿下方的圆形介质与所述微带线连接。
4.如权利要求3所述的基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，其特征在于，
所述介质柱与所述单极子金属柱同轴并位于所述单极子金属柱的上方。
5.如权利要求4所述的基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，其特征在于，
所述曲面超材料结构由金属层和空心圆柱形的介质层组成，金属层弯折后共形到外径8.6mm、内径6.6mm和高度9mm的介质层。
6.如权利要求5所述的基于曲面超材料的紧凑型定向纽扣天线，其特征在于，
所述曲面超材料的金属层包括2*3个平面单元结构，弯折后的曲率半径为4.3mm。
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