一种双频段双模式无线体域网天线的制作方法

本发明属于通信与无线传输技术领域，尤其涉及一种双频段双模式无线体域网天线。

背景技术：

无线体域网(wirelessbodyareanetwork)是附着在人体上的一种通信网络系统，通过身体上不同部位的传感器来实现数据的传送与交换，具体由可穿戴，可植入，可侵入设备组成。无线体域网中的各种设备或者传感器之间的通信就可称作体通信，是一种新兴的短距离无线通信方式，它是一种适用于人体表面、内部、周围等一切可与人体接触的传感装置的新兴通信手段。根据传输方式的不同，体通信又可以分为体上与体外通信。体上通信是指电磁信号以人体为传输媒介进行传输的通信，比如从胸部到腹部传感器之间的通信。体上通信一般通过较低的频率传输，因为较低的频率具有较长的波长，衍射能力较强，遮蔽衰弱就会降低。体外通信是指以空气作为传输媒介的通信，比如从头部到手部传感器之间的通信，或者人与人之间传感器的通信。体外通信一般通过较高的频率传输，因为高频信号的定向性较好，较易实现点对点传输。在实际应用中，我们希望单个天线可以同时实现体上通信和体外通信。具体有以下三个要求：(1)对于体上通信，天线在低频具有全向辐射特性，对于体外通信，天线在高频具有定向辐射特性；(2)天线特性不会被人体组织影响；(3)天线的电磁辐射吸收率，即每公斤人体组织吸收的电磁能量，必须低于国际通用标准1.6w/kg。

目前已有体通信功能的天线，通常不能同时满足以上三个条件；能实现三个条件的天线一般是通过两个天线由开关切换实现，馈电系统的复杂度很高。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种双频段双模式无线体域网天线。本发明解决现有体上通信与体外通信两用天线馈电系统较为复杂的问题，本发明提出的天线可以通过简单的同轴或微带天线同时满足两用天线所需条件。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种双频段双模式无线体域网天线，即一种体上通信与体外通信两用平面微带天线，通过工作于低频的单极子模式和工作于高频的腔体谐振模式分别实现全向辐射与定向辐射，其中，低频范围为1mhz-3ghz，高频范围为3ghz-40ghz。

本发明天线的结构包括上下两层介质板，如图1所示，上层介质板1选用的材料是fr4环氧树脂板，该环氧树脂板是天线常用的介电材料，介电常数为4.6，正切角损耗为0.02；上层介质板1的上表面中间位置覆有金属，作为天线的主辐射体，下表面不覆盖金属；上表面所覆金属部分由三片分离的金属贴片结构组成，即矩形金属贴片11、12和c形金属贴片13；其中，矩形金属贴片12位于c形金属贴片13的c形环内，矩形金属贴片11一部分位于c形金属贴片13的c形环内，另一部分位于c形环外，且矩形金属贴片11、12与c形金属贴片13相互之间间隔一定距离。下层介质板2选用的材料也是fr4环氧树脂板，下层介质板2的上表面全部覆有金属，作为天线的金属地，在金属地上设置半径为r的一个圆孔21，以便馈电金属柱3通过，圆孔21位于矩形金属贴片11上馈电点111的正下方，所述馈电点111与矩形金属贴片11边缘相隔一定距离，所述圆孔21与下层介质板2边缘相隔一定距离；下层介质板2的下表面覆有一段矩形金属结构22，与金属地构成微带传输线结构并连接馈电金属柱3，矩形金属结构22的一端与下层介质板2的下表面边缘齐平，另一端位于圆孔21的正下方。两层介质板通过三根垂直的金属柱相连，中间一根为馈电金属柱3，馈电金属柱3连接辐射体的矩形金属贴片11与微带传输线的矩形金属结构22的一端，金属柱4、5分别位于c形金属贴片13两端正下方，分别连接辐射体的c形金属贴片13的两端与金属地。c形金属贴片13以及金属柱4、5在低频时工作于单极子谐振模式。矩形金属贴片11、12在高频时工作于腔体谐振模式，工作原理与普通矩形贴片天线相同。不同于矩形贴片天线，这里的腔体谐振模式由两片矩形贴片构成，其目的是为了改善在两个频段内的阻抗匹配。

天线的介质板材料也不仅仅限于fr4，任何高频pcb介电材料均可适用；介质板所覆金属优选为铜。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：通过对本发明结构进行设计、仿真、加工、测试，可以发现此结构有以下三个优点：

(1)通过单一馈电实现两种模式，在低频实现全向辐射，在高频实现定向辐射。

(2)人体组织不影响天线的性能。

(3)天线具有较低的电磁辐射吸收率。

通过此发明可以解决现有的体通信天线的缺点，为体域网系统的开发与应用提供新的思路。

附图说明

图1是本发明天线结构图；

图2是本发明天线侧视图；

图3是本发明天线上层介质板俯视图与仰视图；

图4是本发明天线下层介质板俯视图与仰视图；

图5是本发明天线实物图；

图6是本发明天线仿真与实测的s11参数变化图；

图7是本发明天线在2.45ghz与5.8ghz的仿真与实测的方向图；

图8是本发明天线在人体模型上的使用操作示意图；

图9是本发明天线与人体表面距离为6mm时测试s11参数变化图；

其中，1-上层介质板，11-矩形金属贴片，12-矩形金属贴片，13-c形金属贴片，111-馈电点，2-下层介质板，21-圆孔，22-矩形金属结构，3-馈电金属柱，4-金属柱，5-金属柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本实施例所述的一种双频段双模式无线体域网天线，通过工作于2.45ghz的单极子模式和工作于5.8ghz的腔体谐振模式分别实现全向辐射与定向辐射。

图1是本发明天线结构图，该结构利用天线的两个不同的模式分别实现全向和定向的辐射特性，同时可以保证天线不被人体组织影响，并保持电磁辐射吸收率远低于国际标准值。

天线由两片fr4介质板构成，即上层介质板1和下层介质板2，上层介质板1的上表面中间位置覆有金属，作为天线的主辐射体，下表面不覆盖金属；上表面所覆金属部分由三片分离的金属贴片结构组成，即矩形金属贴片11、12和c形金属贴片13；其中，矩形金属贴片12位于c形金属贴片13的c形环内，矩形金属贴片11一部分位于c形金属贴片13的c形环内，另一部分位于c形环外，且矩形金属贴片11、12与c形金属贴片13相互之间间隔一定距离。下层介质板2的上表面全部覆有金属，作为天线的金属地，在金属地上设置半径为r的一个圆孔21，以便馈电金属柱3通过，圆孔21位于矩形金属贴片11上馈电点111的正下方，所述馈电点111与矩形金属贴片11边缘相隔一定距离，所述圆孔21与下层介质板2边缘相隔一定距离；下层介质板2的下表面覆有一段矩形金属结构22，与金属地构成微带传输线结构并连接馈电金属柱3，矩形金属结构22的一端与下层介质板2的下表面边缘齐平，另一端位于圆孔21的正下方。两层介质板通过三根垂直的金属柱相连，中间一根为馈电金属柱3，馈电金属柱3连接辐射体的矩形金属贴片11与微带传输线的矩形金属结构22的一端，金属柱4、5分别位于c形金属贴片13两端正下方，分别连接辐射体的c形金属贴片13的两端与金属地。c形金属贴片13以及金属柱4、5在低频时工作于单极子谐振模式。矩形金属贴片11、12在高频时工作于腔体谐振模式。

天线的尺寸参数分别为：如图3和4所示，下层介质板2的长度l1＝44mm，宽度w1＝44mm，上层介质板1的长度l2＝50mm，宽度w2＝50mm，矩形金属贴片11的长度l1＝16mm，宽度w1＝21mm，c形金属贴片13首尾部分金属的长度l2＝15mm，宽度w2＝5mm，c形金属贴片13中间部分金属的宽度l4＝1mm，矩形金属贴片12的宽度l3＝7mm，馈电点111距离矩形金属贴片11下边线的距离l5＝1mm，矩形金属结构22的长度l6＝14.3mm，矩形金属结构22的宽度w3＝1.15mm，矩形金属贴片11、12之间的距离g1＝0.3mm，矩形金属贴片12与c形金属贴片13中间部分之间的距离g2＝0.8mm，矩形金属贴片12与c形金属贴片13首尾部分之间的距离g3＝1mm，上层介质板1与下层介质板2之间的距离h＝4mm，圆孔21的半径r＝1.25mm。此尺寸参数系针对工作在2.45ghz与5.8ghz两个频段的优化结果，针对不同的频率应用，天线的尺寸也会有所变化。所述上述参数都可以根据实际需要自由设置，此处只是举例说明。

图5是利用pcb加工技术加工的天线成品图，图6是仿真与测试的天线的s11参数，仿真与测试结果一致，天线分别在频率为2.45ghz与5.8ghz时s11值低于-10db，达到阻抗匹配，实现双频带功能。图7中(a)和(b)分别是在频率为2.45ghz与5.8ghz时的仿真与测试的方向图，频率为2.45ghz时，天线在xy平面内是全向辐射，频率为5.8ghz时，天线往z方向定向辐射，符合体通信对天线的辐射特性的要求。图8所示为天线在人体模型上测试的方法，将天线贴附在人体模型表面，并测试其s11参数，天线与人体表面的距离为6mm，测试结果如图9所示，可以得出，当天线贴附在人体的胸、腹、腰、前臂这些部位时，天线的性能并未发生明显变化。

通过cst仿真软件可以得到天线对人体的电磁辐射吸收率，在本发明中利用三层人体模型进行仿真：皮肤、脂肪、肌肉。其中皮肤的相对介电常数为41.4，电导率为0.88s/m，密度为1120kg/m³，脂肪的介电常数为5.4，电导率为0.05s/m，密度为779kg/m³，肌肉的介电常数为54.9，电导率为0.96s/m，密度为1120kg/m³。表1展示了当天线贴附在距离人体组织3mm时，电磁辐射吸收率的仿真值，输入功率为0.5w，可以得出，电磁吸收率在工作频率为2.45ghz与5.8ghz时分别为0.37w/kg和0.12w/kg，远远低于国际标准规定的1.6w/kg。

表1。