一种用于人体中心网络的眼镜框天线的制作方法

本发明涉及无线通信
技术领域：
，特别地，涉及一种用于人体中心网络的眼镜框天线。
背景技术：
：人体中心网络技术是新兴的具有广泛应用前景的无线通信技术，近年来受到了极大的关注。天线设计是人体中心网络和可穿戴无线系统研究中的核心问题之一，国内外近年来相关天线实现途径主要包括以下几方面：一、含银纳米线的小型化平面天线，首先使用模板将银纳米线排列为特定的图案，然后铺上一层液体聚合物，待聚合物凝固后，形成包含预期图案的弹性材料，该图案材料能构成带贴片天线的辐射组件，通过调整其形状，控制天线工作频率。二、金属钮扣或金属皮带扣天线。尺寸小，具有一定的辐射能力，对于波长较长、频率较高的系统，其电尺寸才有优势。三、标志天线，主要是以箱包、衣服上的标志(logo)作为天线进行可穿戴系统辐射和接收工具，比如韩国2015年发表的路易威登lv形状的天线，使用具有一定导电性的材料替代原始布艺材料，保持商标形状和尺寸不变。还有人研究使用苹果(apple)公司的带缺口的苹果作为天线，应用纤维质材料，也获得了一定的辐射和接收能力。四、金属材料的变形振子天线、环天线等，其尺寸很小，做到系统中，跟目前主流的手机天线类似，通常比手机天线更小。五、微带天线、金属平面分形天线等，应用弯折、自相似等原理和方法，尽量压缩微带基板厚度，减小天线尺寸和重量。上述现有技术中应用的天线均存在不足，具体表现为：布料织物天线由于其导电性弱，导致辐射能力弱，辐射增益低，总体效率不高，能量损失较大；变形振子天线和环天线，以及纽扣天线和皮带扣天线等的共同缺点是物理尺寸小、电尺寸受限、射方向较弱，辐射和接收无线电能量不够集中；微带天线、分形天线等，相对于用户需求来说，体积仍然不够小，安装亦不是很方便，因其为外设突出结构，固定的牢靠性和体积占用不可避免。运动服饰厂商目前开发的可穿戴信息化系统，相当一部分并没有提供无线互联功能。在少数具有天线的系统中，通常使用小型化天线设计技术实现的低增益天线。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种用于人体中心网络的眼镜框天线，以解决现有技术可穿戴式无线系统或人体中心网络系统中天线的辐射能力弱、增益低、方向性差的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种用于人体中心网络的眼镜框天线，包括作为天线主体的眼镜框和设置于所述眼镜框上的馈电装置，所述眼镜框的材质为金属材质，所述馈电装置包括微带介质基板、设置于所述微带介质基板上的金属地、以及馈电探针，所述馈电探针贯穿所述金属地和微带介质基板与所述眼镜框连接，所述微带介质基板与所述眼镜框之间设有0～2mm的间隙。优选的，所述微带介质基板与所述眼镜框之间设有1～2mm的间隙。优选的，所述眼镜框包括两个镜框环、连接两所述镜框环的连接柱、镜腿以及用于铰接所述镜框环与所述镜腿的铰接轴，所述馈电装置设置于所述镜框环、连接柱、镜腿或所述镜框环与所述镜腿的铰接轴上，所述馈电探针与所述镜框、连接柱、镜腿或所述铰接轴连接。优选的，所述镜框环为全框或半框的镜框环，所述镜框的宽度为1～2.5mm，所述镜框的高度为17～32mm。优选的，所述镜框环上安装有镜片，所述镜片为玻璃镜片、有机玻璃镜片或树脂镜片。优选的，所述馈电装置还包括设置于所述金属地上的同轴接头，所述馈电探针贯穿所述同轴接头设置。优选的，所述微带介质基板和金属地均为边长等于6mm的正方形，所述微带介质基板的厚度为1.2mm，所述金属地的厚度为0.035mm。优选的，所述金属地为铜板或铝板。优选的，所述馈电探针的长度为6mm，直径为1.12mm。相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：(1)本发明的一种用于人体中心网络的眼镜框天线，包括金属材质的眼镜框和馈电装置，馈电装置包括微带介质基板、金属地以及馈电探针，馈电探针贯穿金属地和微带介质基板与眼镜框连接，微带介质基板与眼镜框之间设有0～2mm的间隙。本发明采用固有的金属眼镜框作为辐射体，显著增大了天线尺寸，改变了天线的电长度，辐射能力强、辐射增益高、能量损失较小，且天线辐射材料使用眼镜框本身，不增加用户额外安装困难和负担，实用性强。(2)本发明的一种用于人体中心网络的眼镜框天线，增大了可穿戴无线系统天线的选择范围，馈电装置安装方便，结构牢靠，价格低，重量轻，体积小，减轻了用户使用负担。(3)本发明的一种用于人体中心网络的眼镜框天线，预期还可作为一种较为通用的工具，推广应用于无线导航与定位、空间电磁能量收集和充电、数字多媒体、物联网和智慧城市、智能家居、运动及医学和健康数据采集与实时传输等多种领域。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明的一种用于人体中心网络的眼镜框天线结构示意图；图2是本发明中眼镜框天线的侧视图；图3是本发明中馈电装置的俯视图；图4是不同宽度镜框情况下眼镜框天线的仿真反射系数曲线；图5是不同高度镜框情况下眼镜框天线的仿真反射系数曲线；图6是镜片采用玻璃镜片、有机玻璃和树脂镜片情况下眼镜框天线的仿真反射系数曲线；图7是馈电装置安装在连接柱中间位置时眼镜框天线e面和h面辐射方向图；图8a是馈电装置分别安装在镜框环上方中间、镜腿末端以及镜腿与镜框圆环交接处时e面远场方向图；图8b是是馈电装置分别安装在镜框环上方中间、镜腿末端以及镜腿与镜框圆环交接处时h面远场方向图；图9a是馈电装置安装在连接柱中间位置时的e面辐射方向图；图9b是馈电装置安装在连接柱中间位置时的h面辐射方向图；图10a是镜框环下部切割掉5mm、10mm、15mm情况下的e面辐射方向图；图10b是镜框环下部切割掉5mm、10mm、15mm情况下的h面辐射方向图；图11是馈电装置安装在连接柱中间位置时的仿真和实测反射系数曲线；图12a是馈电装置安装在连接柱中间位置时的仿真和实测e面辐射方向图；图12b是馈电装置安装在连接柱中间位置时的仿真和实测h面辐射方向图；其中，1、眼镜框，11、镜框环，12、连接柱，13、镜腿，2、馈电装置，21、微带介质基板，22、金属地，23、馈电探针，24、同轴接头，3、镜片。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。如图1至图3所示，本发明的一种用于人体中心网络的眼镜框天线，包括作为天线主体的眼镜框1和设置于眼镜框上的馈电装置2，眼镜框1的材质为金属材质，馈电装置包括微带介质基板21、设置于微带介质基板上的金属地22以及馈电探针23，馈电探针23贯穿金属地22和微带介质基板21与眼镜框1连接，微带介质基板21与眼镜框1之间设有0～2mm的间隙。优选的，微带介质基板21与眼镜框1之间设有1～2mm的间隙。在一种具体的实施方式中，眼镜框1包括镜框环11、连接两个镜框环11的连接柱12、镜腿13以及用于铰接镜框环与镜腿的铰接轴，馈电装置2设置于镜框环11、镜腿12、或镜框环与镜腿的铰接轴上，馈电探针23与镜框环11、镜腿12或铰接轴连接。在一种具体的实施方式中，镜框环为全框或半框的镜框；镜框的宽度为1～2.5mm。镜框环11上安装有镜片3，镜片3为玻璃镜片、有机玻璃镜片或树脂镜片。进一步的，馈电装置2还包括设置于金属地22上的同轴接头24，馈电探针23贯穿同轴接头24设置。微带介质基板21和金属地22均为边长等于6mm的正方形，微带介质基板的厚度为1.2mm，金属地的厚度为0.035mm。馈电探针23的长度为6mm，直径为1.12mm。金属地22为导电性能好的铜或铝板。在本发明中，针对本实施例的用于人体中心网络的眼镜框天线，在微波暗室中进行天线反射系数、天线辐射方向、天线电流分布等测试，使用安立anritsu公司37369a矢量网络分析仪，配合超宽带加脊喇叭天线和水平单轴转台，完成电压驻波比、方向图等技术指标测试，分别获得水平和垂直极化方向性数据。采用加脊喇叭天线作为发射端，眼镜框天线佩戴于人体模型上，并放置在转台中间，作为接收端，两天线距离5m，高度一致，发射信号并读取矢网的s参数。为了更为逼真地模拟人体结构的电磁特性，人体模型内部以部分猪肉填充，测试带宽为40mhz-8.0ghz，具体情况如下：图4是不同宽度镜框情况下眼镜框天线的仿真反射系数曲线，镜框宽度分别为1.0mm、1.5mm、2.0mm和2.5mm。表1给出了不同宽度镜框的眼镜框天线频率特性，包括谐振频率、工作频率范围以及相对带宽。表1不同宽度镜框的眼镜框天线频率特性由图4和表1可见，在镜框的宽度从1.0mm开始以0.5mm为步进变化到2.5mm时，眼镜框天线的谐振频率从5.22ghz分别升高为5.28ghz、5.29ghz和5.33ghz，镜框宽度对天线匹配性能具有影响。通常来说，不同镜框的基本形状是相似的，但为了减轻眼镜的重量和实现更为时尚的造型，越来越多的镜框进行了切割，变成了半框眼镜。图5是不同高度镜框情况下眼镜框天线的仿真反射系数曲线，镜框高度分别为32mm、27mm、22mm、17mm。表2给出了镜框在不同的切割情况下对应的天线匹配频率特性。表2镜框在不同的切割情况下对应的天线匹配频率特性由图5和表2可见，四种情况下眼镜框天线的相对带宽都超过了10％，其中，镜框高度不做切割(即镜框环为全框)的天线相对带宽为14.5％。镜框高度从32mm以5mm的步进减少到17mm的过程中，眼镜框天线的谐振频率分别从5.81ghz升高到5.83ghz、5.85ghz和6.10ghz。其中，除第一种情况中镜框环为闭合环式的全框，其余镜框环都是半框。图6是镜片采用玻璃镜片、有机玻璃和树脂镜片情况下眼镜框天线的仿真反射系数曲线。玻璃镜片、有机玻璃和树脂镜片的介电常数分别是4.82、3.6和2.5，按照介电常数降低的顺序，天线的频率从5.04ghz上升到5.22ghz和5.81ghz，镜片作为眼镜的主体部分也会对天线回波损耗产生影响。上述图4和图5中的镜片分别采用有机玻璃和树脂镜片。图7是馈电装置安装在连接柱中间位置时眼镜框天线e面和h面辐射方向图；镜片采用有机玻璃镜片，天线的中心工作频率为5.28ghz。图8a是馈电装置分别安装在镜框环上方中间、镜腿末端以及镜腿与镜框环交接处时e面远场方向图；图8b是馈电装置分别安装在镜框环上方中间、镜腿末端以及镜腿与镜框环交接处时h面远场方向图；其中，馈电装置的馈电点均位于眼镜框的右半部分。由图8a和图8b可见，眼镜框天线的主瓣不再保持在人体正前方中线上，而是偏向了右边与对应的馈电点位置一致。除了上述大范围移动馈电点之外，馈电点还可以在两个镜框环之间的连接柱上左右移动。图9a是馈电点安装在眼镜框的连接柱上时e面辐射方向图；图9b是馈电点安装在眼镜框的连接柱上时h面辐射方向图。馈电点从连接柱中心分别向右移动3.5mm和7.0mm，由于馈电点偏离连接柱的中心位置，方向图主瓣亦出现移动，但最大辐射方向的移动方向与馈电点的偏移方向相反。图10a是镜框环下部切割掉5mm、10mm、15mm情况下的e面辐射方向图；图10b是镜框环下部切割掉5mm、10mm、15mm情况下的h面辐射方向图；其中，眼镜框的高度为32mm。对于e面来说，镜框环切掉的越多，增益降低越大，方向图主瓣变窄也越多。表3给出了镜框环切割掉不同高度情况下的眼镜框天线增益和3分贝宽度，在工作频率为5.81ghz时的最高增益可达8.18dbi。表3镜框环切割掉不同高度情况下的眼镜框天线增益和3分贝宽度统计镜框环切割掉的高度(mm)51015增益(dbi)6.637.398.183分贝宽度(°)25.631.049.6在本发明中，具体使用一个眼镜原型进行了测试验证，微带基板材料使用ro3203，尺寸为6mm×6mm，厚度1.2mm，并安装同轴连接器。使用anritsu公司的矢量网络分析仪(vna)37369a测试仿真反射系数曲线和实测反射系数曲线。图11是馈电装置安装在连接柱中间位置时的仿真和实测反射系数曲线，给出了频率从40mhz到8.0ghz实测结果和仿真计算结果的对比，二者吻合较好，特别是在谐振点5.80ghz附近，验证了本发明眼镜框天线的有效性。本发明的眼镜框天线辐射方向图在微波暗室中进行测量，使用宽带加脊喇叭作为辅助发射天线，人体模型中内置部分猪肉。图12a是馈电装置安装在连接柱中间位置时的仿真和实测e面辐射方向图；图12b是馈电装置安装在连接柱中间位置时的仿真和实测h面辐射方向图。由图可见，眼镜框天线辐射方向的e面和h面的仿真与实测辐射方向图均比较吻合，特别是主瓣和部分副瓣位置，进一步验证了本发明眼镜框天线的有效性。本发明的眼镜框天线，镜框宽度、镜框高度、镜片的材质以及馈电装置的安装位置影响天线的工作频率，可满足不同的需求。本发明的眼镜框天线，采用眼镜框作为天线主体，用于辐射和接收电磁波，是无线通信、无线探测、无线传感、无线电导航定位等领域的一种工具。具体是：利用固有的金属眼镜框作为辐射体，对其施加合适的激励，注入微波信号，借助不同眼镜框所具备的电磁辐射性能，将信号发射出去，作为发射天线用；或者是，利用眼镜框对空中电磁场的感应和捕获能力，从空间耦合电磁信号，引入人体中心网络系统中，实现从空间无线到电路有线之间的能量转换，作为接收天线用。本发明可显著增大天线尺寸，改变天线的电长度，且天线辐射材料使用现有的眼镜框本身，不增加用户额外安装困难和负担。本发明的眼镜框天线不仅可应用于人体中心网络的无线互联和智能可穿戴领域，还可作为一种较为通用的工具，推广应用于无线导航与定位、空间电磁能量收集和充电、数字多媒体、物联网和智慧城市、智能家居、运动及医学和健康数据采集与实时传输等多种领域。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12