CN219759964U - 双频圆极化柔性天线及可穿戴无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双频圆极化柔性天线及可穿戴无线通信设备，天线包括：依次相叠且中心重合的第一导电织布层、第一毛毡介质层、第二导电织布层、第二毛毡介质层、地板层；第一导电织布层为由n×n个相同小正方形贴片均布构成的超表面结构，n≥2；第二导电织布层为一个大正方形贴片切去四个角的结构，其中心设有一个矩形槽，其除切边外的四条边中心设有矩形枝节，共四个矩形枝节，其中两个为横向矩形枝节，余下为纵向矩形枝节，横向矩形枝节上设有开路枝节，纵向矩形枝节旁设有弧形寄生枝节，两个弧形寄生枝节以第二导电织布层中心为圆心，并关于该中心对称。本实用新型能够有效实现双频圆极化，并且实现了高频的宽带和高增益。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线的技术领域，尤其是指一种双频圆极化柔性天线及可穿戴无线通信设备。
背景技术
随着WBAN系统中智能穿戴设备的迅速发展，工作在多个波段、具有多功能的可穿戴天线因其实用性、节省空间和低成本等优点而备受青睐。此外，可穿戴天线集成于人体上，人体的运动和姿势改变都会导致可穿戴天线与外部设备天线之间的极化方向发生改变，这会带来严重的极化失配问题进而导致信号的衰减甚至丢失。因此，双频圆极化柔性天线是一个有效的解决方案。
发明内容
本实用新型的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种双频圆极化柔性天线，能有效实现双频圆极化，并且高频具有宽带和高增益特性。
本实用新型的第二目的在于提供一种可穿戴无线通信设备。
本实用新型的第一目的通过下述技术方案实现：双频圆极化柔性天线，包括：依次相叠且中心重合的第一导电织布层、第一毛毡介质层、第二导电织布层、第二毛毡介质层、地板层；所述第一导电织布层为由n×n个相同小正方形贴片均匀排布构成的超表面结构，用于拓展高频的轴比带宽和提高增益，其中n≥2；所述第二导电织布层为一个大正方形贴片切去四个角的结构，且切去的角大小一样，均为等腰直角三角形，该大正方形贴片的切边与第一导电织布层其中一条对角线平行，所述第二导电织布层的中心设有一个矩形槽，所述第二导电织布层除切边外的四条边的中心均设有矩形枝节来实现双频圆极化，其中相对的两条边上的矩形枝节为横向矩形枝节，另外相对的两条边上的矩形枝节为纵向矩形枝节，所述第二导电织布层在每个横向矩形枝节上设有与其垂直的开路枝节来实现阻抗匹配，所述第二导电织布层在每个纵向矩形枝节的旁边设有一个弧形寄生枝节来拓展轴比带宽，即共设有两个弧形寄生枝节，该两个弧形寄生枝节以第二导电织布层的中心为圆心，并关于该第二导电织布层的中心对称。
优选的，所述等腰直角三角形的直角边长为1/4大正方形贴片边长；所述横向矩形枝节与纵向矩形枝节的宽度和长度都不一样，其中横向矩形枝节比纵向矩形枝节宽，但其长度比纵向矩形枝节短；所述矩形槽的中心与大正方形贴片的中心重合，其长边与横向矩形枝节平行。
优选的，所述弧形寄生枝节靠近纵向矩形枝节的边与纵向矩形枝节平行，所述弧形寄生枝节的圆心角为47度，所述弧形寄生枝节以靠近纵向矩形枝节边的内侧点为中心顺时针旋转15度。
优选的，所述第一毛毡介质层比第二毛毡介质层厚。
优选的，所述的双频圆极化柔性天线还包括：馈电探针；所述馈电探针的外导体与地板层相连，所述馈电探针的内导体仅穿过第二毛毡介质层后与第二导电织布层相连，所述馈电探针与第二导电织布层的中心不重合。
本实用新型的第二目的通过下述技术方案实现：可穿戴无线通信设备，包括上述双频圆极化柔性天线。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本实用新型天线通过在具有切角的大正方形贴片的四条边的中心位置设置两对宽度和长度都不相同的矩形枝节，以及在大正方形贴片的中心设置一个矩形槽来达到90度相位差，从而实现了双频圆极化。
2、本实用新型天线通过在第二导电织布层上方设置一层超表面结构（即第一导电织布层），实现了高频轴比带宽的拓展和增益的提高。
3、本实用新型天线在靠近纵向矩形枝节处设置了一对弧形寄生枝节，该枝节可以引入寄生模式来减小高频的幅值差，实现了高频轴比带宽的拓展。
4、本实用新型天线能够应用于WIMAX3.5GHz频段和ISM5.8GHz频段，该两个频段都得到了良好的圆极化特性。
附图说明
图1为本实施例中双频圆极化柔性天线的结构示意图。
图2为本实施例中双频圆极化柔性天线的俯视示意图。
图3为本实施例中双频圆极化柔性天线的侧视示意图。
图4为本实施例中双频圆极化柔性天线在3.35GHz的XOZ面辐射场方向图。
图5为本实施例中双频圆极化柔性天线在3.35GHz的YOZ面辐射场方向图。
图6为本实施例中双频圆极化柔性天线在5.88GHz的XOZ面辐射场方向图。
图7为本实施例中双频圆极化柔性天线在5.88GHz的YOZ面辐射场方向图。
图8为本实施例中双频圆极化柔性天线的S参数图。
图9为本实施例中双频圆极化柔性天线的增益曲线图。
图10为本实施例中双频圆极化柔性天线的轴比曲线图。
其中，1-第一导电织布层，2-第一毛毡介质层，3-第二毛毡介质层，4-第二导电织布层，5-横向矩形枝节，6-纵向矩形枝节，7-弧形寄生枝节，8-开路枝节，9-矩形槽，10-馈电探针，11-地板层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例公开了一种双频圆极化柔性天线，能够应用于WIMAX3.5GHz频段和ISM5.8GHz频段，包括：依次相叠且中心重合的第一导电织布层1、第一毛毡介质层2、第二导电织布层4、第二毛毡介质层3、地板层11，以及馈电探针10；第一毛毡介质层2和第二毛毡介质层3采用的毛毡材料的介电常数为1.2，损耗角正切为0.02，其中第一毛毡介质层2的厚度为3mm，第二毛毡介质层3的厚度为2.5mm；所述第一导电织布层1为由4×4个边长11mm的小正方形贴片均匀排布（小正方形贴片之间的间隙为0.5mm）构成的超表面结构，用于拓展高频的轴比带宽和提高增益；所述第二导电织布层4为一个大正方形贴片（边长为29mm）切去四个角的结构，且切去的角大小一样，均为等腰直角三角形，该等腰直角三角形的直角边长为1/4大正方形贴片边长，该大正方形贴片的切边与第一导电织布层1其中一条对角线平行；所述第二导电织布层4除切边外的四条边的中心均设有矩形枝节来实现双频圆极化，其中相对的两条边上的矩形枝节为长11.5mm、宽0.8mm的横向矩形枝节5，另外相对的两条边上的矩形枝节为长15mm、宽0.3mm的纵向矩形枝节6；所述第二导电织布层4的中心设有一个长12mm、宽1.5mm的矩形槽9，矩形槽9的中心与大正方形贴片的中心重合，其长边与横向矩形枝节5平行；所述第二导电织布层4在每个横向矩形枝节5上设有与其垂直的开路枝节8来实现阻抗匹配，所述开路枝节8的长3mm、宽0.5mm；所述第二导电织布层4在每个纵向矩形枝节6的旁边设有一个弧形寄生枝节7来拓展轴比带宽，即共设有两个弧形寄生枝节7，该两个弧形寄生枝节7以第二导电织布层4的中心为圆心，圆心角为47度，两个弧形寄生枝节7关于该第二导电织布层4的中心对称，弧形寄生枝节7以靠近纵向矩形枝节6边的内侧点为中心顺时针旋转15度，为保证弧形寄生枝节7与纵向矩形枝节6的边平行，将弧形寄生枝节7裁剪去多余的部分；所述馈电探针10的外导体与地板层11相连，所述馈电探针10的内导体仅穿过第二毛毡介质层3后与第二导电织布层4相连，所述馈电探针10与第二导电织布层4的中心不重合。
本实施例上述双频圆极化柔性天线通过在具有切角的大正方形贴片的四条边的中心设置两对不同长度和宽度的矩形枝节，以及在具有切角的大正方形贴片的中心挖出矩形槽9来将两对奇次模简并分离，从而实现了双频的圆极化性能。在第二导电织布层4的上方设置第一毛毡介质层2和第一导电织布层1可以等效成具有高介电常数的介质，能够有效提高高频的轴比带宽和增益。在靠近纵向矩形枝节6处设置一对弧形寄生枝节7，能够在高频引入寄生模式，有效减小高频的幅值差，从而达到拓展高频轴比带宽的目的。在横向矩形枝节5上设置一对开路枝节8改善阻抗匹配。最后，通过馈电探针1进行馈电，最终实现了双频圆极化，并且在高频实现了宽带和高增益特性。
图4和图5为本实施例上述双频圆极化柔性天线在3.35GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，从图中可以看到在该频点天线的主极化是左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10dB。
图6和图7为本实施例上述双频圆极化柔性天线在5.88GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，从图中可以看到在该频点天线的主极化是左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10dB。
图8为本实施例上述双频圆极化柔性天线的S参数仿真曲线图，从图中可以看到天线在低频频和高频的|S11|<-10dB带宽分别为3.25-3.58GHz，9.4％；4.91-6.58，30.4%，能够应用于WIMAX3.5GHz频段和ISM5.8GHz频段。
图9为本实施例上述双频圆极化柔性天线的增益仿真曲线图，从图中可以看到天线的最大增益在低频和高频分别为7.23dBi和9.75dBi。
图10为本实施例上述双频圆极化柔性天线的轴比仿真曲线图，从图中可以看到天线在低频处的轴比带宽为3.34-3.41GHz，2%，天线在高频处轴比带宽为5.52-6.03GHz，9.3%，在这两个带宽范围内|S11|均小于-10dB，实现了双频带的圆极化性能。
因此，综上所述，本实用新型是一款适用于WIMAX3.5GHz频段和ISM5.8GHz频段的柔性天线，本天线通过在切角的大正方形贴片四条边的中心位置加载两对不等长不等宽的矩形枝节来分离两对奇次简并模，通过设置矩形槽来扩大相位差到90度，从而实现双频段的圆极化。另外在第二导电织布层上添加一层超表面结构，该超表面结构作用在高频能够有效拓展轴比带宽和提高增益。在纵向矩形枝节旁设置一对弧形寄生枝节来引入一个寄生模式，能够有效减小高频处的幅值差，从而能够有效拓展轴比带宽。最终通过偏馈的方式激励起两对简并模，从而实现双频圆极化，并且在高频具有宽带和高增益特性。为了避免电磁辐射危害人体健康，对本天线进行了SAR值评估。当输入的功率为100mw时，本天线低频、高频的SAR值分别为0.074W/kg、0.076W/kg，也就是说最大输入功率不超过2105mw时，该天线的SAR值都保持在安全水平。
实施例2
本实施例提供了一种可穿戴无线通信设备，包括实施例1所述的双频圆极化柔性天线。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.双频圆极化柔性天线，其特征在于，包括：依次相叠且中心重合的第一导电织布层（1）、第一毛毡介质层（2）、第二导电织布层（4）、第二毛毡介质层（3）、地板层（11）；所述第一导电织布层（1）为由n×n个相同小正方形贴片均匀排布构成的超表面结构，用于拓展高频的轴比带宽和提高增益，其中n≥2；所述第二导电织布层（4）为一个大正方形贴片切去四个角的结构，且切去的角大小一样，均为等腰直角三角形，该大正方形贴片的切边与第一导电织布层（1）其中一条对角线平行，所述第二导电织布层（4）的中心设有一个矩形槽（9），所述第二导电织布层（4）除切边外的四条边的中心均设有矩形枝节来实现双频圆极化，其中相对的两条边上的矩形枝节为横向矩形枝节（5），另外相对的两条边上的矩形枝节为纵向矩形枝节（6），所述第二导电织布层（4）在每个横向矩形枝节（5）上设有与其垂直的开路枝节（8）来实现阻抗匹配，所述第二导电织布层（4）在每个纵向矩形枝节（6）的旁边设有一个弧形寄生枝节（7）来拓展轴比带宽，即共设有两个弧形寄生枝节（7），该两个弧形寄生枝节（7）以第二导电织布层（4）的中心为圆心，并关于该第二导电织布层（4）的中心对称。
2.根据权利要求1所述的双频圆极化柔性天线，其特征在于，所述等腰直角三角形的直角边长为1/4大正方形贴片边长；所述横向矩形枝节（5）与纵向矩形枝节（6）的宽度和长度都不一样，其中横向矩形枝节（5）比纵向矩形枝节（6）宽，但其长度比纵向矩形枝节（6）短；所述矩形槽（9）的中心与大正方形贴片的中心重合，其长边与横向矩形枝节（5）平行。
3.根据权利要求2所述的双频圆极化柔性天线，其特征在于，所述弧形寄生枝节（7）靠近纵向矩形枝节（6）的边与纵向矩形枝节（6）平行，所述弧形寄生枝节（7）的圆心角为47度，所述弧形寄生枝节（7）以靠近纵向矩形枝节（6）边的内侧点为中心顺时针旋转15度。
4.根据权利要求3所述的双频圆极化柔性天线，其特征在于，所述第一毛毡介质层（2）比第二毛毡介质层（3）厚。
5.根据权利要求4所述的双频圆极化柔性天线，其特征在于，还包括：馈电探针（10）；所述馈电探针（10）的外导体与地板层（11）相连，所述馈电探针（10）的内导体仅穿过第二毛毡介质层（3）后与第二导电织布层（4）相连，所述馈电探针（10）与第二导电织布层（4）的中心不重合。
6.可穿戴无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的双频圆极化柔性天线。
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