專(zhuān)利名稱(chēng)：可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及天線(xiàn)，尤其是一種可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)體積的不斷縮小，穿戴式計(jì)算機(jī)得到了迅速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為核心的穿戴系統(tǒng)初現(xiàn)端倪，并展現(xiàn)了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。當(dāng)前，構(gòu)成穿戴系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備的體積和重量都越來(lái)越小，但還不能完全實(shí)現(xiàn)真正意義上的穿戴于人體或衣物。要想把這些設(shè)備都分散地縫制于人的衣服上，在正常工作的前提下，不影響人的日常活動(dòng)，就必須進(jìn)一步減小這些設(shè)備的重量和體積。天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)通信的必備部件，為了減小整個(gè)穿戴系統(tǒng)的體積，可以把它從通信設(shè)備中分離出來(lái)，作為一個(gè)獨(dú)立的部分，縫制于人的衣物上，天線(xiàn)的饋電端通過(guò)射頻傳輸線(xiàn)與通信設(shè)備連接。而超寬帶天線(xiàn)由于其具有低功率、低耗電量等優(yōu)點(diǎn)，可有效減小天線(xiàn)對(duì)人體的輻射影響，適用于可穿戴系統(tǒng)。目前有兩項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù) 1 :B. Sanz-Izquierdo 等人發(fā)表在 2007Loughborough Antennas and Propagation Conference 的文章小型超寬帶可穿戴天線(xiàn)(COMPACT UffB WEARABLE ANTENNA)公布了一種工字型結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)，如圖1所示，天線(xiàn)的輻射單元由聚四氟乙烯材料制成的圓盤(pán)，并通過(guò)下方的η字形柱體與上方帶有圓柱體的金屬底盤(pán)相扣接構(gòu)成，該天線(xiàn)采用的是微帶線(xiàn)側(cè)饋方式進(jìn)行饋電，天線(xiàn)的輻射方向圖會(huì)受到微帶線(xiàn)的影響發(fā)生變形，使天線(xiàn)方向圖處于不對(duì)稱(chēng)分布，影響天線(xiàn)的性能，同時(shí)由于采用聚四氟乙烯作為天線(xiàn)的輻射體的一部分，導(dǎo)致天線(xiàn)的增益較低。現(xiàn)有技術(shù)2 :J. Μ. Floe’ h等人發(fā)表在MICROWAVE AND 0PTICALTECHN0L0GY LETTERS第51卷第12期(2009年12月)的文章牛仔褲紐扣輻射特性的研究(INVESTIGATION of RADIATING JEANS-BUTTON ANTENNAS)公布了幾種三層圓柱體階梯結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)，如圖2所示，這些天線(xiàn)的輻射單元均由從上到下半徑依次減小的圓柱體構(gòu)成，這些天線(xiàn)只能工作在較窄的頻段內(nèi)，不能覆蓋超寬帶頻段，并且采用的是微帶線(xiàn)側(cè)饋方式進(jìn)行饋電，天線(xiàn)的輻射方向圖會(huì)受到微帶線(xiàn)的影響發(fā)生變形，天線(xiàn)方向圖不對(duì)稱(chēng)分布，影響天線(xiàn)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提供一種可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，以覆蓋超寬帶頻段，獲得均勻?qū)ΨQ(chēng)分布的輻射方向圖，提高天線(xiàn)性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括輻射單元、天線(xiàn)介質(zhì)、地板和同軸線(xiàn)，輻射單元和地板分別與同軸線(xiàn)內(nèi)芯和外芯相連進(jìn)行饋電，輻射單元由高度和大小不同的三層一體紐扣式金屬體組成，天線(xiàn)介質(zhì)由人的衣物構(gòu)成，輻射單元垂直固定在衣物的表面，地板對(duì)稱(chēng)固定在輻射單元垂直固定處的衣物的底面，其特征在于紐扣式金屬體的第一層采用底面開(kāi)有矩形通孔、兩側(cè)開(kāi)有對(duì)稱(chēng)缺口的中空?qǐng)A柱體，第二層采用中空的長(zhǎng)方體，第三層采用設(shè)有過(guò)孔的圓柱體；
饋電采用底饋方式，即同軸線(xiàn)通過(guò)位于地板中心的圓孔對(duì)輻射單元進(jìn)行饋電。所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其中第一層的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)缺口的切線(xiàn)與第二層長(zhǎng)方體的長(zhǎng)邊平行，缺口切線(xiàn)的長(zhǎng)度大于第二層的長(zhǎng)邊。所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其中第二層的中空橫截面與第一層的底面的矩形通孔大小相同。所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其中第三層的過(guò)孔為相互垂直、半徑相同的兩個(gè)圓柱形通孔，通過(guò)這兩個(gè)孔將輻射單元縫制在衣物上。所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其中第一層的直徑大于第二層的長(zhǎng)邊，第二層的長(zhǎng)邊大于第三層的直徑。所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其中輻射單元的總高度h < λ/4，所述三層的高度比例為hl h2 h3 ^ 10 7 4，其中λ為最大工作波長(zhǎng)，hl，h2，h3分別為第
一層的高度，第二層的高度，第三層的高度。本發(fā)明的輻射單元由于采用由三層不同高度和寬度的紐扣形金屬體結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別調(diào)整各層參數(shù)，可以在多個(gè)頻點(diǎn)得到穩(wěn)定的諧振，從而覆蓋到很寬的頻帶；同時(shí)由于紐扣式金屬體的第一層采用底面開(kāi)有矩形通孔、兩側(cè)開(kāi)有對(duì)稱(chēng)缺口的中空?qǐng)A柱體，第二層采用中空的長(zhǎng)方體，減輕了天線(xiàn)的重量，第三層采用設(shè)有過(guò)孔的圓柱體，可通過(guò)這兩個(gè)孔將輻射單元縫制在衣物上。此外由于本發(fā)明的饋電采用底饋方式，即同軸線(xiàn)通過(guò)位于地板中心的圓孔對(duì)輻射單元進(jìn)行饋電，可避免饋電線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)輻射方向圖的影響。理論計(jì)算表明，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)四倍工作帶寬，充分覆蓋了超寬帶的工作頻帶，天線(xiàn)在E面具有良好的全向輻射性能，H面對(duì)稱(chēng)分布。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)1的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)2的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明天線(xiàn)的輻射單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明天線(xiàn)的地板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明天線(xiàn)的工作頻率-回波損耗曲線(xiàn)圖；圖7是本發(fā)明天線(xiàn)在各個(gè)頻率點(diǎn)的E面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖；圖8是本發(fā)明天線(xiàn)在各個(gè)頻率點(diǎn)的H面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D3、圖4、圖5，本發(fā)明天線(xiàn)主要由輻射單元1，介質(zhì)材料2、地板3和同軸線(xiàn) 4組成，輻射單元1由紐扣式金屬組合體組成，天線(xiàn)介質(zhì)2由人的衣物構(gòu)成，輻射單元1垂直固定在衣物的表面，地板3對(duì)稱(chēng)固定在輻射單元1垂直固定處的衣物的底面。其中輻射單元1的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它采用三層一體金屬結(jié)構(gòu)，各層的高度和大小不同，第一層101 采用中空?qǐng)A柱體，圓柱體的底面開(kāi)有矩形通孔，圓柱體的兩側(cè)開(kāi)有對(duì)稱(chēng)缺口，對(duì)稱(chēng)缺口由通過(guò)切線(xiàn)102的鉛垂面切割第一層圓柱體得到，第一層101的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)缺口的切線(xiàn)102與第二層103長(zhǎng)方體的長(zhǎng)邊平行，缺口切線(xiàn)102的長(zhǎng)度大于第二層103長(zhǎng)方體的長(zhǎng)邊。第二層103采用中空的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體的中空橫截面與圓柱體101的底面的矩形通孔大小相同。第三層104采用圓柱體，圓柱體上設(shè)有兩個(gè)圓柱形過(guò)孔105，這兩個(gè)圓柱形過(guò)孔相互垂直、半徑相同，通過(guò)這兩個(gè)孔將輻射單元1縫制在衣物上。第一層101的直徑dl大于第二層103的長(zhǎng)邊d2，第二層103的長(zhǎng)邊d2大于第三層104的直徑d3，三者之間的比為 dl d2 d3 24 13 6. 5 ；輻射單元1的總高度h< λ/4，第一層101的高度hi大于第二層103的高度h2，第二層103的高度h2大于第三層104的高度h3，三者之間的比為 hi h2 h3 ^ 10 7 4，其中λ為天線(xiàn)的最大工作波長(zhǎng)。所述的三層結(jié)構(gòu)由機(jī)械整體加工完成。其中地板3的結(jié)構(gòu)如圖5所示，地板3為矩形，地板中心有一個(gè)圓孔301貫通地板3和介質(zhì)材料2，同軸線(xiàn)4通過(guò)該孔對(duì)輻射單元1進(jìn)行饋電，地板3可由銅板或銅箔紙等材料制成，并可通過(guò)與同軸線(xiàn)4焊接或與衣物用膠連接，固定在衣物的背面。下面通過(guò)對(duì)天線(xiàn)實(shí)例的仿真來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.仿真實(shí)例設(shè)輻射單元的第一層圓柱體的半徑為12mm，高度為10mm，壁厚為 1mm，切線(xiàn)長(zhǎng)為13. 3mm，底面的矩形通孔長(zhǎng)為11mm，寬為10. 5mm ；第二層中空的長(zhǎng)方體長(zhǎng)為 13mm,寬為12. 5mm,高為6. 8mm,壁厚為Imm ；第三層圓柱體的半徑為3. 3mm,高度為4mm，圓柱形過(guò)孔的中心距地板2. 5mm，半徑為1mm。介質(zhì)材料選擇長(zhǎng)為60mm，寬為70mm，高度為2mm，介電常數(shù)為1. 4的羊毛織物作為人的衣物。地板選擇長(zhǎng)為60mm，寬為70mm，高度為0. 2mm的銅板，地板中心的圓孔半徑為2mm。1、仿真內(nèi)容1)利用仿真軟件對(duì)上述實(shí)施例天線(xiàn)的回波損耗曲線(xiàn)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，本發(fā)明天線(xiàn)在回波損耗小于負(fù)IOdB的條件下，具有3GHZ-12. 8GHz的工作頻帶，覆蓋了超寬帶工作頻帶，這說(shuō)明本發(fā)明天線(xiàn)具有良好的超寬帶工作性能。2)利用仿真軟件對(duì)上述實(shí)施例天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7和圖8所示，其中圖7(a)為對(duì)實(shí)施例天線(xiàn)在4GHz時(shí)仿真得到的E面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，圖8 (a)為對(duì)實(shí)施例天線(xiàn)在4GHz時(shí)仿真得到的H面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖；圖7(b)為對(duì)實(shí)施例天線(xiàn)在6. 5GHz時(shí)仿真得到的E面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，圖8(b)為對(duì)實(shí)施例天線(xiàn)在6. 5GHz時(shí)仿真得到的H面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖；圖7(c)為對(duì)實(shí)施例天線(xiàn)在9GHz時(shí)仿真得到的E面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，圖8(c)為對(duì)實(shí)施例天線(xiàn)在9GHz時(shí)仿真得到的H面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。從圖7(a)可見(jiàn)，在4GHz時(shí)，本發(fā)明天線(xiàn)在E面具有良好的全向輻射性能，從圖 8 (a)可見(jiàn)，H面對(duì)稱(chēng)分布，實(shí)施例天線(xiàn)的最大增益為3. 5dB ；從圖7(b)中可見(jiàn)，在6. 5GHz時(shí)，本發(fā)明天線(xiàn)在E面具有良好的全向輻射性能，從圖8 (b)可見(jiàn)，H面對(duì)稱(chēng)分布，實(shí)施例天線(xiàn)的最大增益為5. ISdB ；從圖7(c)中可見(jiàn)，在9GHz時(shí)，本發(fā)明天線(xiàn)在E面具有良好的全向輻射性能，從圖 8 (c)可見(jiàn)，H面對(duì)稱(chēng)分布，實(shí)施例天線(xiàn)的最大增益為6. 25dB?？梢?jiàn)，在上述三個(gè)頻點(diǎn)，本發(fā)明天線(xiàn)的增益均大于等于3. 5dB，具有較高的增益。以上仿真結(jié)果說(shuō)明本發(fā)明天線(xiàn)具有優(yōu)秀的輻射性能。所述實(shí)例僅為本發(fā)明天線(xiàn)的一個(gè)具體實(shí)施例，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下，可以對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)而得到本發(fā)明天線(xiàn)的超寬帶頻帶和輻射方向圖特性，但這些均在本發(fā)明的保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，包括輻射單元(1)、天線(xiàn)介質(zhì)O)、地板C3)和同軸線(xiàn)；輻射單元(1)和地板(3)分別與同軸線(xiàn)內(nèi)芯和外芯相連進(jìn)行饋電；輻射單元 (1)由高度和大小不同的三層一體紐扣式金屬體組成，天線(xiàn)介質(zhì)O)由人的衣物構(gòu)成，輻射單元(1)垂直固定在衣物的表面，地板C3)對(duì)稱(chēng)固定在輻射單元(1)垂直固定處的衣物的底面，其特征在于紐扣式金屬體的第一層(101)采用底面開(kāi)有矩形通孔、兩側(cè)開(kāi)有對(duì)稱(chēng)缺口的中空?qǐng)A柱體，第二層(103)采用中空的長(zhǎng)方體，第三層(104)采用設(shè)有過(guò)孔(105)的圓柱體；饋電采用底饋方式，即同軸線(xiàn)通過(guò)位于地板(3)中心的圓孔(301)對(duì)輻射單元(1)進(jìn)行饋電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其特征在于第一層(101)的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)缺口的切線(xiàn)(102)與第二層(103)長(zhǎng)方體的長(zhǎng)邊平行，缺口切線(xiàn)(102)的長(zhǎng)度大于第二層(103)的長(zhǎng)邊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其特征在于第二層(103)的中空橫截面與第一層(101)的底面的矩形通孔大小相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其特征在于第三層的過(guò)孔 (105)為相互垂直、半徑相同的兩個(gè)圓柱形通孔，通過(guò)這兩個(gè)孔將輻射單元(1)縫制在衣物上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其特征在于第一層(101)的直徑大于第二層(103)的長(zhǎng)邊，第二層(103)的長(zhǎng)邊大于第三層(104)的直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，其特征在于輻射單元(1)的總高度h< λ/4，所述三層的高度比例為hi h2 h3 ^ 10 7 4，其中λ為最大工作波長(zhǎng)，hl，h2，h3分別為第一層(101)的高度，第二層(103)的高度，第三層(104)的高度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可穿戴的組合式超寬帶天線(xiàn)，主要解決現(xiàn)有天線(xiàn)不能覆蓋超寬帶頻段，輻射方向圖不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題。本天線(xiàn)由輻射單元(1)、天線(xiàn)介質(zhì)(2)、地板(3)和同軸線(xiàn)(4)組成，天線(xiàn)介質(zhì)由人的衣物構(gòu)成，輻射單元垂直固定在衣物的表面，地板對(duì)稱(chēng)固定在輻射單元垂直固定處的衣物的底面，輻射單元和地板分別與同軸線(xiàn)內(nèi)芯和外芯相連進(jìn)行饋電，其中輻射單元由三層紐扣式金屬體組成，第一層(101)為底面開(kāi)有矩形通孔、兩側(cè)開(kāi)有對(duì)稱(chēng)缺口的中空?qǐng)A柱體，第二層(103)為中空的長(zhǎng)方體，第三層(104)為設(shè)有過(guò)孔的圓柱體；同軸線(xiàn)通過(guò)位于地板中心的圓孔(301)對(duì)輻射單元進(jìn)行饋電。本發(fā)明可覆蓋超寬帶頻段，并具有良好的方向圖特性。
文檔編號(hào)H01Q1/22GK102570005SQ20121000045
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月2日
發(fā)明者于松濤, 劉 英, 姜文, 李延平, 洪濤, 龔書(shū)喜 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)