一种圆极化可穿戴天线

1.本发明涉及一种圆极化可穿戴天线，属于无线移动通信技术领域。


背景技术：

2.无线体域网(wireless body area network，wban)是以人体为中心的专用无线通信网络，作为第五代移动通信系统的重要组成部分，已广泛应用于医疗、娱乐和军事等领域。随着可穿戴设备的不断发展，无线体域网通信也面临越来越多的挑战。考虑到在体外通信场景下，由于人位置的移动以及姿态的变化容易造成天线形变，线极化天线难以保证收发器节点极化方向始终保持一致，进而会导致天线通信效率降低，而圆极化天线由于其在发射/接收方向上的灵活性，可以接收任意的线极化波，实现稳定的信号传输，因此在无线体域网通信中实现圆极化效果是十分有必要的。除此以外，综合考虑到实际应用中的需要，我们对圆极化天线还提出以下要求：1)天线物理尺寸较小，最好选用柔性材料，适合日常穿戴，且具有较强鲁棒性；2)天线和人体之间的“耦合”低，即加载人体组织后，天线性能变化不明显，且电磁辐射吸收率(sar)需要满足国际标准。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种圆极化可穿戴天线，以解决现有技术中圆极化天线轴比带宽窄、不易于穿戴、鲁棒性较差的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明是采用下述方案实现的：
5.一种圆极化可穿戴天线，包括上、下毛毡基板、上、下聚酰亚胺薄膜电路；
6.所述上、下聚酰亚胺薄膜电路与所述上、下毛毡基板叠装固定连接；
7.所述上、下聚酰亚胺薄膜电路上电连接有多组金属贴片；
8.所述下毛毡基板中心开设有一小孔；
9.所述下聚酰亚胺薄膜电路上的金属贴片开设有一u型槽。
10.优选的，所述毛毡基板的介电常数为1.26，损耗角正切为0.02，所述聚酰亚胺薄膜电路的介电常数为3.4，损耗角正切为0.008。
11.优选的，所述毛毡基板和聚酰亚胺薄膜电路为柔性材料制成。
12.优选的，所述上、下毛毡基板的厚度分别为3mm和2mm，所述上、下聚酰亚胺薄膜电路的厚度为0.07mm。
13.优选的，所述u型槽为非对称形状；所述下层聚酰亚胺薄膜电路的金属贴片为方形切角形状；所述上层聚酰亚胺薄膜电路上电连接有四组方形切角金属贴片、24组矩形金属贴片、两组方形金属贴片。
14.优选的，所述四组方形切角金属贴片设置在所述上层聚酰亚胺薄膜电路中心四周，所述24组矩形金属贴片分4组分别设置在所述四组方形切角金属贴片的四周，所述两组方形金属贴片对称设置在所述上层聚酰亚胺薄膜电路的两个对角。
15.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
16.1.本发明的天线在很宽的频段内实现圆极化效果，3db以下的轴比带宽超过45％，天线增益稳定，3db增益带宽超过66％。
17.2.本发明的天线使用柔性材料制作，且尺寸较小，适合人体穿戴。
18.3.本发明的天线具有很强的鲁棒性，性能受柔性基板形变的影响较小。
19.4.本发明的天线和人体之间的耦合较低，天线性能几乎不受人体组织影响，并且天线的电磁辐射吸收率很低。
附图说明
20.图1是本发明实施例所提供的圆极化可穿戴天线的结构示意图；
21.图2是本发明实施例所提供的圆极化可穿戴天线的下层馈源贴片的结构俯视图；
22.图3是本发明实施例所提供的圆极化可穿戴天线的上层超表面结构俯视图；
23.图4是本发明实施例所提供的圆极化可穿戴天线与人体组织间距离对天线反射系数的影响曲线图；
24.图5是本发明实施例所提供的人体结构对圆极化可穿戴天线与人体组织间距离对天线的增益及轴比带宽的影响曲线图；
25.图6是本发明实施例所提供的圆极化可穿戴天线形变对天线反射系数的影响曲线图；
26.图7是本发明实施例所提供的圆极化可穿戴天线形变对天线的增益及轴比带宽的影响曲线图；
27.图8是本发明实施例所提供的圆极化可穿戴天线工作在自由空间中6ghz、7ghz和8ghz处的方向图；
28.附图标记为：1、毛毡基板；2、聚酰亚胺薄膜电路；3、u型凹槽；4、方形切角金属贴片；5、矩形金属贴片；6、方形金属贴片。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.如图1所示，为本发明圆极化可穿戴天线的分层结构图，天线包含两层毛毡基板1和两层聚酰亚胺薄膜电路2，上层和下层毛毡基板1的厚度分别为3mm和2mm，聚酰亚胺薄膜电路2厚度为0.07mm，其中毛毡基板1的介电常数为1.26，损耗角正切为0.02，聚酰亚胺薄膜电路2的介电常数为3.4，损耗角正切为0.008，各层结构之间通过粘贴层固定连接。
32.图2展示的是下层的馈源贴片结构，通过对方形切角金属贴片和开不对称的u型槽3实现，在基板中心开一个直径为0.6mm的小孔，用于实现同轴馈电。图3是上层的超表面结构，中间部分是2*2的方形切角方形金属贴片4，四周分别为6块相同的矩形金属贴片5，两块
较小的方形金属贴片6呈中心对称，分布在两个对角处，主要用于拓宽天线阻抗带宽和3db轴比带宽。
33.其中，天线的尺寸参数分别为：ws＝50mm，wp＝19.6mm，wu＝1.1mm，w1＝12.4mm，w2＝4mm，w3＝8.6mm，d＝6mm，l2＝7.5mm，lu＝8.8mm，luu＝11.7mm，lud＝9.7mm，cp＝6.5mm，c1＝5.4mm，g1＝1.2mm，g2＝1.2mm，g3＝0.5mm，g4＝0.8mm。此尺寸参数为针对反射系数和轴比的优化结果。
34.图4和图5展示的是圆极化可穿戴天线在自由空间中和距离三层人体组织模型上方不同高度d时的反射系数、增益和轴比带宽，对比可知人体组织对天线性能影响较小，即天线能够正常工作于人体周围。
35.图6和图7是圆极化可穿戴天线沿不同半径的圆柱弯曲时的性能，天线性能随弯曲程度的加大而有所恶化，由于弯曲的影响，天线的阻抗带宽和3db轴比带宽均有所变窄，增益也有不同程度的下降，但依然能够保证在绝大部分频带满足要求，由此可以得出该天线具有较强的鲁棒性。
36.图8展示了圆极化可穿戴天线在自由空间中的方向图，在6ghz、7ghz和8ghz处，天线主要沿法向方向辐射，并且具有很低的交叉极化，可以很好地满足体外通信。
37.此外，在cst三维仿真软件中建立皮肤、脂肪、肌肉三层人体组织模型，模拟天线对人体的影响，设置天线输入功率为0.5w，距离人体组织5mm，仿真得到的sar值结果如下表所示：
[0038][0039][0040]
在1g标准下，天线在6ghz、7ghz和8ghz时的sar值分别为0.389w/kg、0.275w/kg和0.438w/kg；而在10g标准下，sar值在6ghz、7ghz与8ghz时分别为0.150w/kg、0.106w/kg和0.191w/kg，天线在工作频段内的sar值远小于美国和欧盟的标准。
[0041]
综上所述，本发明的圆极化可穿戴天线在很宽的频段内实现圆极化效果，3db以下的轴比带宽超过45％，天线增益稳定，3db增益带宽超过66％，并且使用柔性材料制作，且尺寸较小，适合人体穿戴，具有很强的鲁棒性，性能受柔性基板形变的影响较小，与人体之间的耦合较低，天线性能几乎不受人体组织影响，电磁辐射吸收率很低。
[0042]
上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。