一种用于可穿戴式无线系统的手表表带天线的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，特别地，涉及一种用于可穿戴式无线系统的手表表带天线。

背景技术：

现有技术中，常见的天线系统广泛存在于雷达、通信、导航等系统中，其天线通常是金属材质，或金属与固体介质的混合结构。在可穿戴领域，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、布艺材料的标志天线，近年来有论文研究箱包、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，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。

在运动鞋的信息化方面，近年来出现和正在研究的相关技术包括：耐克(Nike)公司的自动系鞋带功能，安装运动感知传感器、自动控制系统，辅助用户使用。李宁(LiNing)公司与小米公司合作，开发鞋底嵌入式芯片和小型微型电子系统。阿迪达斯(Adidas)等公司在鞋底植入芯片，监测用户每日运动情况。另有多家公司在可穿戴信息化、智能化方面有所研究，但均为涉及手表表带的电磁辐射与接收应用。

在智能手表表带天线领域，通常是采用弯折振子天线形式，通过将直线变弯而缩小尺寸，将天线安装于手表表盘之内。或者，将手表表带的一部分用天线结构和材料进行替换，实现表盘外天线的设计，但还没有在表带的缝隙内设置馈电装置的技术方案出现。

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，固定的牢靠性受限，体积占用不可避免。运动服饰厂商目前开发的信息化系统，要么仅进行监测和显示，不具有无线传输功能；要么使用微小型天线，性能指标有待提高。常规天线通常需要额外安装辐射和馈电结构，对用户来说，是多出来的部分，使用的方便性和简洁度有所欠缺。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于可穿戴式无线系统的手表表带天线，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可穿戴式无线系统的手表表带天线，包括作为天线主体的手表表带和设置于所述手表表带上的馈电装置，所述手表表带的材质为金属材质，所述手表表带上设置有至少一个缝隙；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并插设连接在所述手表表带的缝隙内。

优选的，所述手表表带宽度方向的两侧平行设置有多个缝隙。

优选的，所述手表表带宽度方向的中间设置有多个缝隙。

优选的，所述手表表带的宽度为10～20mm。

优选的，所述手表表带的缝隙面积占所述手表表带面积的1/4～1/2。

优选的，所述微带介质基板的尺寸为10mm×10mm×1.2mm，所述微带介质基板的介电常数为2.2。

优选的，所述馈电探针焊接在所述手表表带上的任意一个缝隙内。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种用于可穿戴式无线系统的手表表带天线，包括手表表带和馈电装置，手表表带的材质为金属材质，手表表带上设置有多个缝隙；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手表表带连接。本发明的手表表带天线，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。采用手表表带结构实现天线的辐射，增大了可穿戴无线系统天线的选择范围；以手表表带作为天线主体，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。

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1a是本发明一种用于可穿戴式无线系统的手表表带天线的结构示意图；

图1b是一款带有多条平行缝隙的金属格栅表带的结构示意图；

图1c是馈电装置的馈电点置于图1a和图1b中不同位置时天线的反射系数曲线；

图2是表带天线与人体不同配置情况下的天线反射系数曲线；

图3表带宽带为10mm、15mm和20mm时手表表带天线的天线辐射方向图；

图4a是空气带隙不同的三种手表表带天线在2.46GHz的辐射方向(Phi＝0°&Theta 0°-360°)；

图4b是空气带隙不同的三种手表表带天线在2.46GHz的辐射方向(Phi＝90°&Theta 0°-360°)；

图4c是空气带隙不同的三种手表表带天线在2.46GHz的辐射方向(Theta＝90°&Phi 0°-360°)；

图5a是三种不同形状的表带天线所实现的方向图；

图5b是短缝隙表带的结构示意图结构图；

图5c是长缝隙表带的结构示意图结构图；

图6a是表带与皮肤完全接触、部分接触和离开人体情况下的二维方向图(Phi＝0°&Theta 0°-360°)；

图6b是表带与皮肤完全接触、部分接触和离开人体情况下的远场方向图(Phi＝90°)；

图6c是表带与皮肤完全接触、部分接触和离开人体情况下的二维方向图(Theta＝90°&Phi 0°-360°)；

图7是馈电点置于表盘右边前方、表盘右侧中间位置时天线的实测与仿真反射系数曲线；

图8a是手表表带天线在2.46GHz的实测与仿真二维辐射方向图(Phi＝0°&Theta 0°-360°)；

图8b是手表表带天线在2.46GHz的实测与仿真远场辐射方向图(Phi＝90°&Theta 0°-360°)；

图8c是手表表带天线在2.46GHz的实测与仿真方向图(Theta＝90°&Phi 0°-360°)；

其中，1、表带，11、缝隙，01、天梭表带，02、栅格表带，03、短缝隙表带，04、长缝隙表带，2、馈电装置，21、微带介质基板，22、金属地，23、馈电探针，3、表盘。

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。

本发明的一种用于可穿戴式无线系统的手表表带天线，包括作为天线主体的手表表带1和设置于手表表带上的馈电装置2，手表表带的材质为金属材质，手表表带上设置有至少一个缝隙11；馈电装置2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并插设连接在手表表带的缝隙11内。

在一种具体的实施方式中，手表表带1宽度方向的两侧平行设置有多个缝隙11。

在一种具体的实施方式中，手表表带1宽度方向的中间设置有多个缝隙11。

在一种具体的实施方式中，手表表带1的宽度为10～20mm。

在一种具体的实施方式中，手表表带1的缝隙11面积占手表表带面积的1/4～1/2。

在一种具体的实施方式中，微带介质基板的尺寸为10mm×10mm×1.2mm，微带介质基板的介电常数为2.2。

在一种具体的实施方式中，馈电探针23焊接在手表表带上的任意一个缝隙11内。

在本发明中，图1a是一种用于可穿戴式无线系统的手表表带天线的结构示意图。其中，表带1采用天梭表带01，馈电装置的馈电点可设置于表带的不同位置上，具体的馈电点位于天梭表带右边中间位置后方P1点处、或馈电点位于天梭表带右边中间位置前部P2点处、或馈电点位于表盘3右侧中间P3点处。图1b是一款带有多条平行缝隙的金属格栅表带的结构示意图，其中，馈电点位于格栅表带02的右边中间P4点处。图1c是馈电装置的馈电点置于图1a和图1b中不同位置时天线的反射系数曲线。由图可知：当馈电点位于表带右边中间位置后方P1点处、表带右边中间位置的前部P2点处、以及表盘右侧中间P3点处时，天线的谐振频率分别为2.11GHz、1.60GHz和2.46GHz。对于馈电点位于P4点来说，其有三个谐振频率，分别为0.66GHz、1.17GHz和2.66GHz。天线的反射系数随着馈电位置的变化而变化，上述谐振频率满足可穿戴式无线系统的需求。如果系统对于频率或其他参数有特定要求，馈电点可以设置在表带上的其他位置。此外，如果表带形状不同，可以类似地方式实现馈电。

表1给出了馈电点位于不同位置情况下的频率匹配特性。其中，在2.46GHz处的相对带宽为77.8％，此频率位于工业、科研和医疗(ISM频段)公开共用频段。

表1表带天线在不同馈电位置下的频率匹配特性

图2是表带天线与人体不同配置情况下的天线反射系数曲线，分别为手表表带天线的表带与手腕完全接触、部分接触以及将手表从胳膊和手腕上取下来。由图2可知，三种情况下手表表带天线的谐振频率从1.69GHz依次升高到了2.46GHz和4.09GHz，本发明的用于可穿戴式无线系统的手表表带天线可以通过调整天线与人体位置关系而得到不同的谐振频率，从而应用于不同领域。

图3是表带宽带为10mm、15mm和20mm时手表表带天线的天线辐射方向图。由图3可知，该三种情况下天线辐射方向仅表现出了微小的差别，由此本发明的手表表带天线在表带宽度为10～20mm的情况下均可满足使用要求。

进一步的，表带上的缝隙数量会对本发明天线的辐射方向图产生影响，以图1b的表带结构为基础，在表带周长不变的情况下，缝隙面积分别是手表表带面积1/2和1/4的结构所对应的天线辐射方向图。其中，考虑到人的前臂在实际生活中既可能处于垂直于地面的姿态(比如站立时)，也可能处于平行于地面的姿态(平放在桌面上)，因此，4a、图4b以及图4c提供了二维辐射方向图的三个切面图，反映天线全空间的辐射情况。图4a是空气带隙不同的三种手表表带天线在2.46GHz的辐射方向(Phi＝0°&Theta 0°-360°)；图4b是空气带隙不同的三种手表表带天线在2.46GHz的辐射方向(Phi＝90°&Theta 0°-360°)；图4c是空气带隙不同的三种手表表带天线在2.46GHz的辐射方向(Theta＝90°&Phi 0°-360°)。从图可以看出，天线在手背上方具有较宽的主瓣，能够满足手臂经常处于活动状态所需要的大范围覆盖需求。

图5a是三种不同形状的表带天线所实现的方向图，其中两种表带结构为图5b和图5c分别所示的短缝隙表带和长缝隙表带的结构示意图，其中，短缝隙表带03和长缝隙表带04的宽度均为20mm，缝隙宽度均为1mm，相邻两缝隙之间的距离为6mm，短缝隙表带03的缝隙长度为5mm，长缝隙表带04的缝隙长度为8.5mm；另一种表带为格栅表带02，且格栅表带02具有的缝隙量比短缝隙表带03和长缝隙表带04的缝隙量都多。由图5a可知，采用短缝隙表带03和长缝隙表带04的表带天线的增益仅比采用栅格表带02的表带天线略高，但由于栅格表带02结构的不同而引起的电流分布差异，导致方向图主瓣指向存在约45°的差异。

图6a是表带与皮肤完全接触、部分接触和离开人体情况下的二维方向图(Phi＝0°&Theta 0°-360°)；图6b是表带与皮肤完全接触、部分接触和离开人体情况下的远场方向图(Phi＝90°)；图6c是表带与皮肤完全接触、部分接触和离开人体情况下的二维方向图(Theta＝90°&Phi 0°-360°)。如图6a、图6b和图6c所示，辐射方向图在2.4GHz-2.5GHz频率范围内的增益大致在5dBi左右，覆盖工业、科研和医疗的2.4GHz-2.5GHz频段，使得此天线可应用于无线导航与定位、空间电磁能量收集与充电、人体中心网络和数字多媒体、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领域。

在本实施例中，以天梭表带为原型制作的表带天线在微波暗室进行了测试。使用一块10mm×10mm×1.2mm的小型微带介质基板作为馈电基本结构，其材料为介电常数是2.2的ArlonDi880。使用的主要仪器为Anritsu37369A矢量网络分析仪(VNA)，手表表带天线在自然佩戴的情况下进行测试，测试带宽为40MHz-6.0GHz。如图7所示，是馈电点置于表盘右边前方、表盘右侧中间位置时天线的实测与仿真反射系数曲线。

在微波暗室中进行手表表带天线辐射方向图测试使用了人体手和胳膊模型来等效，水平介质转台和矢量网络分析仪配合，获得辐射特性。使用超宽带加脊喇叭天线作为辅助发射工具。图8a是手表表带天线在2.46GHz的实测与仿真二维辐射方向图(Phi＝0°&Theta 0°-360°)；图8b是手表表带天线在2.46GHz的实测与仿真远场辐射方向图(Phi＝90°&Theta 0°-360°)；图8c是手表表带天线在2.46GHz的实测与仿真方向图(Theta＝90°&Phi 0°-360°)。上述图8a、图8b和图8c中给出了手表表带天线在2.46GHz的实测与仿真辐射方向图，测试数据与仿真结果吻合较好，验证了本发明手表表带天线的有效性。

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。