CN210430098U - 一种用于体域网的穿戴式纽扣天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于体域网的穿戴式纽扣天线，包括从上到下依次排布的辐射贴片、纽扣层、泡沫层和地板；所述天线还包括馈电探针和短路探针，纽扣层和泡沫层上分布有金属过孔，馈电探针的内芯通过金属过孔与辐射贴片连接，内芯放置在辐射贴片的对称线上，馈电探针的外表面与地板连接，用于实现天线阻抗匹配和支撑纽扣层；短路探针位于辐射贴片的对称线上，用于引入并联电感，使所述天线能实现阻抗匹配，通过金属过孔短路探针的一端连接地板，另一端连接辐射贴片。所述天线与一般穿戴式天线相比，具有结构简单、带宽宽、稳定性好，可用于人体多处位置、成本低等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是天线技术领域，具体涉及一种用于体域网的穿戴式纽扣天线。
背景技术
近几年，随着无线网络技术的发展，提出了无线体域网的概念，即以人体为中心构成一个无线网络，穿戴在人体或植入人体的电子设备采集人体的生理信息，接入无线体域网，实时监控人体的健康情况，更好地提供医疗保健服务。
天线是无线网络中接受和发送数据必不可少的元件，对于应用于人体体域网的穿戴式天线，由于人体电磁环境的复杂性，给穿戴式天线设计带来巨大的挑战性。作用于人体的部位不同，天线的性能也会有所差异，天线的设计需要实现稳定性好、小型化、低辐射和舒适性的要求，同时天线的带宽、方向图、增益满足设计要求。目前许多穿戴式天线采用织物作为介质基板，这种设计与人体的衣服共形，使天线设计有一定的舒适性，可是这种天线设计一般采用微带天线的结构，频带窄，随着衣物的弯曲，对天线性能也会有影响。另一种穿戴式天线采用纽扣的结构，纽扣天线也能很好地与人体衣物共形，纽扣本身是采用硬质的介质基板，鲁棒性更好，辐射效率更高，并且更易制作，成本更低。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题和不足，本实用新型提出一种用于体域网的穿戴式纽扣天线，具有鲁棒性强、频带宽、成本低和辐射效率高等优点。
本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本实用新型提供了一种用于体域网的穿戴式纽扣天线，包括从上到下依次排布的辐射贴片、纽扣层、泡沫层和地板；辐射贴片贴附在纽扣层的上表面，辐射贴片具有对称线；纽扣层和泡沫层之间有一层空气间隔；地板贴附在泡沫层的下表面；所述天线还包括馈电探针和短路探针，纽扣层和泡沫层上分布有金属过孔，馈电探针的内芯通过金属过孔与辐射贴片连接，内芯放置在辐射贴片的对称线上，馈电探针的外表面与地板连接，用于实现天线阻抗匹配和支撑纽扣层；短路探针位于辐射贴片的对称线上，用于引入并联电感，使所述天线能实现阻抗匹配，通过金属过孔短路探针的一端连接地板，另一端连接辐射贴片。所述天线通过馈电探针和金属短路探针固定在衣服表面。
优选地，所述纽扣层由介质基板构成，介质基板为高H1=1.5mm~1.6 mm，半径为7.6mm~7.9mm的圆柱体。
优选地，辐射贴片包括谐振环和圆形枝节；谐振环包括外环和内环，内环置于外环内，外环的半径即外径为7.1mm~7.5mm，内环的半径即内径为5.35mm~5.75mm，内环具有一个切口，切口的宽度为0.3mm~0.7mm；圆形枝节设于内环内，圆形枝节和内环在切口处相连接，用于辐射电磁波，圆形枝节的半径为4mm~4.4 mm。
优选地，所述泡沫层与人体衣物共形，泡沫层与纽扣层之间的空气间隔层的高度H2为2mm~3mm；泡沫层的高度H3为2.5mm~3.5mm，长和宽为80mm×80mm~90mm×90mm。
优选地，地板由导电纺织物组成，导电纺织物的高度为0.17mm~0.19mm，长和宽为80mm×80mm~90mm×90mm。
优选地，所述天线采用同轴馈电的方式，馈电探针的外表与地板相接，所述馈电探针的内芯与辐射贴片相连，位于辐射贴片的上边缘，对天线进行馈电；所述短路探针为半径0.3mm~0.5mm的金属短路探针，短路探针与辐射贴片的圆形枝节相连，位于所述圆形枝节的下边缘；短路探针与馈电探针的间隔距离为8.1mm~8.5mm。
优选地，纽扣层采用FR4介质板材，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；所示泡沫层采用EVA泡沫基板，相对介电常数为1.17，损耗角正切为0.002。
优选地，纽扣层位于地板的中心处。
优选地，所述天线的整体高度为6.27mm~8.25mm。
优选地，所述天线的工作ISM频段为5.8 GHz，10 dB的阻抗带宽为5.63–6.17 GHz，绝对带宽为0.54 GHz，相对带宽为9.3%。
和现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
（1）采用纽扣结构设计穿戴式天线，与人体衣服共形，相比通常织物微带天线，带宽更宽，天线能在收到人体影响频偏的情况下仍能保证正常工作。
（2）上层纽扣由FR4介质基板构成，泡沫层采用EVA泡沫基板，在整个穿戴式天线的材料选择，成本低，加工简单。
（3）地板面积比纽扣层面积大很多，隔离了天线与人体，减少人体与天线的耦合，使天线性能不受影响。
（4）所采用的泡沫层介质是柔性材料，可弯曲，纽扣层采用介质基板是硬性材料，能固定在衣服表面，地板面积大，在天线能在泡沫层弯曲条件下仍保持良好的辐射特性，纽扣层在人体的不同位置，弯曲程度不一样，本实用新型提供的天线能作用在人体的多处位置。
附图说明
图1a为实施例提供的一种用于体域网的穿戴式纽扣天线的示意图；
图1b为实施例提供的一种用于体域网的穿戴式纽扣天线的俯视图；
图1c为实施例提供的一种用于体域网的穿戴式纽扣天线的辐射贴片的俯视结构图；
图2为实施例提供的一种用于体域网的穿戴式纽扣天线的反射系数仿真图；
图3为实施例提供的一种用于体域网的穿戴式纽扣天线在人体模型上的反射系数仿真图；
图4为实施例提供的一种用于体域网的穿戴式纽扣天线在弯曲情况下的反射系数仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本实用新型作更为详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
本实施例提供了一种用于体域网的穿戴式纽扣天线，如图1a所示，包括从上到下依次排布的辐射贴片2、纽扣层1、泡沫层3和地板4；辐射贴片2贴附在纽扣层1的上表面，辐射贴片2具有对称线；纽扣层1和泡沫层3之间有一层空气间隔；地板4贴附在泡沫层3的下表面；所述天线还包括馈电探针5和短路探针6，纽扣层1和泡沫层3上分布有金属过孔，馈电探针5的内芯通过金属过孔与辐射贴片2连接，内芯放置在辐射贴片2的对称线上，馈电探针5的外表面与地板4连接，用于实现天线阻抗匹配和支撑纽扣层1；短路探针6位于辐射贴片的对称线上，用于引入并联电感，使所述天线能实现阻抗匹配，通过金属过孔短路探针6的一端连接地板4，另一端连接辐射贴片2。
所述纽扣层1由介质基板构成，介质基板的材料为FR-4，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，介质基板为高H1=1.6 mm，半径为7.5 mm的圆柱体。
如图1b和图1c所示，辐射贴片2包括开口谐振环7和圆形枝节8；谐振环7的外环的半径即外径为7.3 mm，内环的半径即内径为5.55 mm，谐振环具有一个切口，切口的宽度为0.5 mm；圆形枝节8设于内环内，圆形枝节8和内环在切口处相连接，用于辐射电磁波，圆形枝节8的半径为4.2 mm。所述谐振环和圆形枝节主要作用是使天线谐振在5.8GHz，有效地辐射电磁能量。
所述泡沫层3与人体衣物共形，泡沫层3为EVA泡沫基板，相对介电常数为1.17，损耗角正切为0.002。泡沫层3与纽扣层1之间的空气间隔层的高度H2为2mm；泡沫层3的高度H3为3mm，长和宽为80 mm×80 mm。地板4为导电纺织物层，高度为0.17mm，长和宽为80 mm×80mm，电导率为1.18×105 S/m，所述地板4的主要作用是隔离天线和人体，降低SAR值，同时使天线性能不受人体的影响。
所述馈电探针5采用特征阻抗为50 的同轴线，内芯半径为0.64 mm，外表半径为1.5 mm，内芯与辐射贴片相连，位于辐射贴片2的上边缘，外表与地板相连，对天线进行馈电；所述短路探针6为半径0.4mm的金属短路探针，短路探针位于圆形枝节8的下边缘，短路探针6与馈电探针5的间隔距离为8.3mm，由于辐射贴片2到馈电点的距离小于谐振频率的1/4波长，整个天线结构呈容性，通过引入短路探针引入并联电感，实现阻抗匹配。
纽扣层1的相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；所示泡沫层3的相对介电常数为1.17，损耗角正切为0.002。纽扣层1位于地板4的中心处。所述天线的高度为6.77mm。
如图2所示，本实施例提供的天线的工作ISM频段为5.8 GHz，10 dB的阻抗带宽为5.63–6.17 GHz，绝对带宽为0.54 GHz，相对带宽为9.3%，能完全覆盖ISM的5.8 GHz频段，带宽宽，能保证天线在受到环境影响的情况下，如人体的运动，仍能保证天线在工作频段上的性能，使天线更具稳定性。
图3为本实施例提供的用于体域网的穿戴式纽扣天线放置在人体模型上方的反射系数仿真图，由图可知，由于地板4相对辐射贴片2面积大很多，能有效地隔离人体和天线，因此天线仿真在人体，性能基本不受影响，能够有效地工作在5.8 GHz-ISM频段。所述穿戴式纽扣天线的辐射效率能达到97%。
本实施例提供的用于体域网的穿戴式天线在弯曲的情况下的反射系数如图4所示，由于天线放置的工作位置不一样，弯曲情况也不一样，弯曲半径越小，地板的有效面积减少，性能受到的影响越大，该天线在弯曲半径100 mm和50 mm的情况下，仍能保证在整个5.725–5.875 GHz的ISM频段中S11参数在–10 dB以下。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本实用新型的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，包括从上到下依次排布的辐射贴片（2）、纽扣层（1）、泡沫层（3）和地板（4）；辐射贴片（2）贴附在纽扣层（1）的上表面，辐射贴片（2）具有对称线；纽扣层（1）和泡沫层（3）之间有一层空气间隔；地板（4）贴附在泡沫层（3）的下表面；所述天线还包括馈电探针（5）和短路探针（6），纽扣层（1）和泡沫层（3）上分布有金属过孔，馈电探针（5）的内芯通过金属过孔与辐射贴片（2）连接，内芯放置在辐射贴片（2）的对称线上，馈电探针（5）的外表面与地板（4）连接，用于实现天线阻抗匹配和支撑纽扣层（1）；短路探针（6）位于辐射贴片的对称线上，用于引入并联电感，使所述天线能实现阻抗匹配，通过金属过孔短路探针（6）的一端连接地板（4），另一端连接辐射贴片（2），所述天线通过馈电探针（5）和短路探针（6）固定在人体衣服表面。
2.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，所述纽扣层（1）由介质基板构成，介质基板为高H1=1.5mm~1.6mm，半径为7.6mm~7.9mm的圆柱体。
3.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，辐射贴片（2）包括谐振环（7）和圆形枝节（8）；谐振环（7）包括外环和内环，内环置于外环内，外环的半径即外径为7.1mm~7.5mm，内环的半径即内径为5.35mm~5.75mm，内环具有一个切口，切口的宽度为0.3mm~0.7mm；圆形枝节（8）设于内环内，圆形枝节（8）和内环在切口处相连接，用于辐射电磁波，圆形枝节（8）的半径为4mm~4.4 mm。
4.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，所述泡沫层（3）与人体衣物共形，泡沫层（3）与纽扣层（1）之间的空气间隔层的高度H2为2mm~3mm；泡沫层（3）的高度H3为2.5mm~3.5mm，长和宽为80mm×80mm~90mm×90mm。
5.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，地板（4）由导电纺织物组成，导电纺织物的高度为0.17mm~0.19mm，尺寸大小为80mm×80mm~90mm×90mm。
6.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，所述天线采用同轴馈电的方式，所述馈电探针（5）的外表与地板（4）相接，所述馈电探针（5）的内芯与辐射贴片（2）相连，位于辐射贴片的上边缘，对天线进行馈电；所述短路探针（6）为半径0.3mm~0.5mm的金属短路探针，短路探针（6）与辐射贴片（2）的圆形枝节相连，位于所述圆形枝节的下边缘；短路探针（6）与馈电探针（5）的间隔距离为8.1mm~8.5mm。
7.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，纽扣层（1）采用FR4介质板材，该相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；所示泡沫层（3）采用EVA泡沫基板，该相对介电常数为1.17，损耗角正切为0.002。
8.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，纽扣层（1）位于地板（4）的中心处。
9.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，所述天线的高度为6.27mm~8.25mm。
10.根据权利要求1所述用于体域网的穿戴式纽扣天线，其特征在于，所述天线的工作ISM频段为5.8 GHz，10 dB的阻抗带宽有5.63–6.17 GHz，绝对带宽有0.54 GHz，相对带宽为9.3%。
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