CN220914559U - 周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，包括从下到上层叠设置的矩形微带贴片、介质板和接地层，在接地层上设置周期性排列的矩形槽，在介质板的正面还设置有馈电微带，通过馈电微带向矩形微带贴片馈电。该周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线能够仅仅以略微降低前后比的代价全面增强矩形微带贴片天线的各项性能，对可穿戴天线及其它高性能天线的研究具有很重要的意义。
Description
技术领域
本实用新型属于微带天线技术领域，具体涉及一种周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线。
背景技术
随着社会的发展，现如今对过去一些复杂的、大型的电子装置提出了更为小型化和便携化的要求，于是可穿戴设备应运而生。可穿戴设备主要是指，可以集成到衣物上或者直接穿戴在人体上，甚至于安装在人体内部组织结构上的各种小型化便携智能设备，它们被广泛应用于医疗、健康、军事、安全、娱乐等多个领域。可穿戴设备作为一种硬件设备其独特之处是需要通过软件支持以及数据、云端交互来实现其强大的功能。要实现天线的可穿戴，那么这一可穿戴天线的便携性是首先要考虑的问题，于是各种电小天线被应用到了可穿戴领域。
现有的多款可穿戴天线都存在一定的缺点和不足：在追求低剖面及宽带时，天线的前后比不大，使得后向辐射过大对人体影响较大；低SAR的天线要么厚度偏大便携性不好，要么带宽、增益较低，性能不足；剖面较低，结构具有柔性的天线很多又没有足够的抗弯曲性能，耐用性稍显不足。这些问题说明目前已有的多种可穿戴天线设计方案存在着问题，很难兼顾到可穿戴天线多方面的性能需求，需要一种全新的可穿戴天线设计思路，使天线能够满足多样化的性能要求，并且从设计仿真到加工测试到批量生产的整个过程中能够节省时间和成本。
以矩形微带贴片天线为例，尽管将RMPA降低到0.5mm厚度后它的耐弯曲性得到了证明，低剖面下的性能也得到了一定的优化，天线能够以较高效率工作，但其窄带特性也被进一步凸显出来。为了使得超低剖面情况下的RMPA能够获得更好的带宽，还需要采取其他措施对它的结构进行更多优化从而获得更好的可穿戴天线性能。
实用新型内容
针对上述问题，本申请提出了一种周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，能够仅仅以略微降低前后比的代价全面增强矩形微带贴片天线的各项性能，对可穿戴天线及其它高性能天线的研究具有很重要的意义。
本实用新型采用的技术方案是：
周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，包括从下到上层叠设置的矩形微带贴片、介质板和接地层，在接地层上设置周期性排列的矩形槽，在介质板的正面还设置有馈电微带，通过馈电微带向矩形微带贴片馈电。
作为本技术方案的一种优选方式，周期性排列的矩形槽围绕形成一回字形结构，且矩形槽的尺寸为5×5mm，水平方向的两个相邻矩形槽之间的间距为1.86mm，垂直方向的两个相邻矩形槽之间的间距为1.22mm；回字形结构四角处的矩形槽距离接地层的水平边和垂直边的距离均为7.5mm。
进一步地，矩形微带贴片的尺寸为48×31.1mm，馈电微带的尺寸为1.5×10mm。
作为本技术方案的另一种优选方式，矩形微带贴片和接地层均为印刷在介质板的正面和背面上的金属薄膜。
进一步地，馈电微带通过SMA接口与接地层连接，SMA接口的中心信号脚通过馈电微带向矩形微带贴片馈电，SMA接口的两个接地脚焊接在介质板背面且与接地层连接。
作为本技术方案的另一种优选方式，介质板采用Rogers RO4350b板材，其介质常数为3.66，损耗角正切值为0.004，介质板的厚度为0.5～2mm。优选的，介质板的厚度为0.5mm。
本实用新型的有益效果：本实用新型设计的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线具有非常低的剖面，其0.5mm的厚度具有很大的优势，而且在低剖面的同时，其SAR、前后比、方向性方面都能控制在比较好的水平，避免了全向天线的人体影响问题，且具有较好的增益，其最大增益达到了8.93dBi。对可穿戴天线及其它高性能天线的研究具有很重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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所示为本实用新型的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的正面立体图；
图2所示为本实用新型的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的背面立体图；
图3所示为本实用新型的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的正面和背面的正视图；(a)正面；(b)背面；
图4所示为图3透视图；
图5所示为两种厚度的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的回波损耗曲线及方向图：(a)S11dB图；(b)S11相位图；(c)方向图；
图6所示为不同弯曲半径0.5mm厚度周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的回波损耗曲线及方向图：(a)S11dB对比图；(b)S11相位对比图；(c)方向图对比；
图7为0.5mm厚度周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的SAR仿真图；
图8为周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线实物图：(a)正面；(b)背面；
图9为两种天线实物测量结果：(a)S11幅度对比；(b)方向图对比。
其中，1、介质板；2、矩形微带贴片；3、接地层；4、回字形结构；401、矩形槽；5、馈电微带。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。
根据周期性缺陷地结构的性能和矩形微带贴片天线的结构和性能，设计一款周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，这种天线的背面和正面示意图如图1和2所示，包括从下到上层叠设置的矩形微带贴片2、介质板1和接地层3，在接地层3上设置周期性排列的矩形槽，在介质板1的正面还设置有馈电微带5，通过馈电微带5向矩形微带贴片2馈电。馈电微带5通过sma接口与接地层连接，sma接口的中心信号脚通过馈电微带向矩形微带贴片2馈电，sma接口的两个接地脚焊接在介质板1背面且与接地层3连接。
周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的接地层如图3(b)和图4所示，周期性排列的矩形槽围绕形成一回字形结构4，且矩形槽401的边长为e＝5mm，水平方向的两个相邻矩形槽401之间的间距为b＝1.86mm，垂直方向的两个相邻矩形槽401之间的间距为c＝1.22mm。回字形结构4四角处的矩形槽401距离接地层3的水平边和垂直边的距离均为7.5mm。
周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线的辐射面如图3(a)所示，图中尺寸为：W＝48mm，L＝31.1mm，WA＝68mm，LA＝51.1mm，a＝1.5mm，d＝10mm。矩形微带贴片2的尺寸为48×31.1mm，馈电微带5的尺寸为1.5×10mm。矩形微带贴片2和接地层3均为印刷在介质板1的正面和背面上的金属薄膜。
介质板1采用Rogers RO4350b板材，其介质常数为3.66，损耗角正切值为0.004，介质板1的厚度为0.5～2mm。优选0.5mm。下面以2mm厚度和0.5mm厚度介质1的矩形微带贴片天线加载周期性缺陷地接地层，并分别进行全波仿真可得它们的回波损耗曲线对比如图5(a)、5(b)所示，yoz面方向图对比如图5(c)所示，中心频率下其它各项性能如表1所示。
观察图5及表1，可知周期性缺陷地结构对天线的中心频率有较大的影响，2mm厚度情况有0.06GHz，而0.5mm厚度情况更是达到了0.19GHz左右。这说明天线越薄则周期性缺陷地结构对中心频率的影响越大。而S11的幅度在2mm厚度时降低了很多，带宽也有所展宽，而0.5mm情况时变化比较小，甚至还略微弱于矩形微带贴片天线。但周期性缺陷地结构使得天线的增益被加强了很多，方向性系数也稍有增强，辐射效率有一定的提升，同时前后比也略微降低。
表1两种厚度的周期性缺陷地矩形微带贴片天线性能对比
同样地，0.5mm厚度的Rogers RO4350b材料已经可以进行一定曲率的弯曲了，所以考虑将周期性缺陷地矩形微带贴片天线共形在半径300mm，100mm，50mm及20mm的圆柱体上，以此模拟计算天线安装在胸口，大腿，手臂及极限弯曲情况下的天线性能。
根据以上模型对0.5mm厚度的弯曲周期性缺陷地矩形微带贴片天线进行全波仿真，可得它们的S11对比如图6(a)、6(b)所示，yoz面方向图对比如图6(c)所示，其它各项性能如表2所示。观察图5、6及表1、2，可知周期性缺陷地矩形微带贴片天线在各方面性能上非常类似于矩形微带贴片天线，具有类似的平面天线特性及抗弯曲特性。周期性缺陷地矩形微带贴片天线对矩形微带贴片天线各方面都有至少15％的性能提升，只有在前后比这一项参数上稍低于矩形微带贴片天线，这是因为尽管周期性缺陷地结构的反射率特别高，但仍然有一部分能量透射过了接地层增加了后向辐射，但程度非常小，对后向辐射和SAR没有特别大的增强。需要注意的是20mm弯曲半径下周期性缺陷地矩形微带贴片天线的后向辐射也受到了极大地削弱，这是与矩形微带贴片天线所相反的。
表2不同弯曲半径0.5mm厚度周期性缺陷地矩形微带贴片天线各项性能
要使上述所有天线都适合可穿戴环境，还需要测量它们的SAR。以0.5mm厚度平面周期性缺陷地矩形微带贴片天线的SAR仿真为例，将天线放置在距离人体组织1mm的高度上，则xoz面的SAR分布如图7所示。观察图7，可知人体表面的SAR最大但也还是远小于2W/Kg的规范值，仅为0.20W/Kg，而且这个峰值主要分布在馈线所在的位置，也就是说就本实施例所提出的周期性缺陷地结构的接地层而言，SAR主要是由于它对馈线附近电磁场的透射所造成的。将各种矩形微带贴片天线及周期性缺陷地矩形微带贴片天线的SAR如表3所示。根据各个参数的天线方向图及表3，可知后向辐射都在-5dB左右，介质厚度、弯曲半径的变化对后向辐射影响都不大，而SAR的变化也确实都不大，都在0.20-0.36W/Kg范围内，且周期性缺陷地矩形微带贴片天线的SAR都略小于矩形微带贴片天线，显示了这种周期结构对SAR的优化效果。
表3各种类型天线的SAR
超低剖面可穿戴天线测试结果对比
根据已有仿真结果，矩形微带贴片天线及周期性缺陷地矩形微带贴片天线的各项性能都比较稳定，适合于实物加工测试。其中加工出来的周期性缺陷地矩形微带贴片天线实物如图8(a)、8(b)所示。
由于2mm厚度的两种天线实物都不能弯曲，所以只加工了0.5mm厚度的矩形微带贴片天线及周期性缺陷地矩形微带贴片天线。对两种天线进行网络分析仪回波损耗测试及微波暗室方向图测试，有如图9(a)、9(b)所示的结果，其它各项性能如表4所示，测试仪器为Agilent E5071C。由于20mm弯曲半径是预设的极限弯曲半径，天线实物在这种条件下损坏率非常高，所以20mm弯曲半径的天线实物测试没有进行，而且各条曲线过多难以标示清楚，所以图9仅展示了平面及50mm弯曲半径的结果作为比较。
实验表明，实物与仿真的天线性能基本一致，吻合较好，全波仿真对天线厚度及弯曲半径变化等因素对天线性能的影响做出了较好的预测，实物测试符合预期，证明了周期性缺陷地结构对矩形微带贴片天线的可穿戴化是非常有利的，能够仅仅以略微降低前后比的代价全面增强矩形微带贴片天线的各项性能，对可穿戴天线及其它高性能天线的研究具有很重要的意义。
表4不同弯曲半径0.5mm厚度两种天线实物的各项性能
微带可穿戴天线性能比较
在获得了矩形微带贴片天线及周期性缺陷地矩形微带贴片天线的仿真及实验结果后，还需要与近年来的已有结果进行对比，从而证明实用新型的优点。将各种微带可穿戴天线及类似天线结构，以及本实验结果如表5进行对比，可知本文所设计的周期性缺陷地矩形微带贴片天线在没有进行其它优化的情况下具有非常低的剖面，其0.5mm的厚度具有很大的优势，天线面积也并不大。而在低剖面的同时，其SAR、前后比、方向性也基本控制在较好的水平，避免了全向天线的人体影响问题，且具有较好的增益。只是周期性缺陷地矩形微带贴片天线带宽较窄，但这是综合了极低的剖面、较好的方向性、较高的增益等条件后的天线性能一个方面，并不影响本文所采用方法的优越性.
表5微带可穿戴天线性能比较
结果表明了这种周期性缺陷地结构对天线除前后比外均有15％左右的性能优化。
表5中序号对应的文献：
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以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，其特征在于，包括从下到上层叠设置的矩形微带贴片、介质板和接地层，在接地层上设置周期性排列的矩形槽，在介质板的正面还设置有馈电微带，通过馈电微带向矩形微带贴片馈电。
2.根据权利要求1所述的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，其特征在于，周期性排列的矩形槽围绕形成一回字形结构，且矩形槽的尺寸为5×5mm，水平方向的两个相邻矩形槽之间的间距为1.86mm，垂直方向的两个相邻矩形槽之间的间距为1.22mm；回字形结构四角处的矩形槽距离接地层的水平边和垂直边的距离均为7.5mm。
3.根据权利要求2所述的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，其特征在于，矩形微带贴片的尺寸为48×31.1mm，馈电微带的尺寸为1.5×10mm。
4.根据权利要求1所述的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，其特征在于，矩形微带贴片和接地层均为印刷在介质板的正面和背面上的金属薄膜。
5.根据权利要求4所述的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，其特征在于，馈电微带通过SMA接口与接地层连接，SMA接口的中心信号脚通过馈电微带向矩形微带贴片馈电，SMA接口的两个接地脚焊接在介质板背面且与接地层连接。
6.根据权利要求1所述的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，其特征在于，介质板采用Rogers RO4350b板材，其介质常数为3.66，损耗角正切值为0.004，介质板的厚度为0.5～2mm。
7.根据权利要求6所述的周期性缺陷地矩形微带贴片可穿戴天线，其特征在于，介质板的厚度为0.5mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |