專利名稱：可穿戴式超寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及天線，尤其是一種可穿戴式超寬帶天線。
背景技術(shù)：
超寬帶技術(shù)始于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)，利用頻譜極寬的超短脈沖進(jìn)行通信，又稱為基帶通信、無載波通信，主要用于軍用雷達(dá)、定位和通信系統(tǒng)中。2002年 2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC批準(zhǔn)了超寬帶技術(shù)用于民用。由于超寬帶天線具有傳輸數(shù)率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、高保密性、有利于多功能一體化等特點(diǎn)，它已成為短距離無線通信中極具競爭力和發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，引發(fā)了眾多研究人員的極大關(guān)注。同時(shí)，由于超寬帶天線具有低功率、低耗電量等優(yōu)點(diǎn)，可有效減小天線對人體的輻射影響，適用于可穿戴系統(tǒng)。如 B. Sanz-Izquierdo 等人發(fā)表在 2006First European Conference on Antennas and Propagation的文章超寬帶可穿戴紐扣型天線(UWB WEARABLE BUTTON ANTENNA)公布了一種紐扣形天線，如圖1所示，該天線采用五層結(jié)構(gòu)，由上到下依次為圓盤、圓錐體、圓柱體、圓盤、圓盤。采用同軸線底饋方式饋電，但該天線工作在較窄的頻段內(nèi)，不能覆蓋超寬帶頻段，輻射單元采用的是實(shí)心金屬構(gòu)成，重量很重，不適于穿戴系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提供一種可穿戴式超寬帶天線，以覆蓋超寬帶頻段，并且采用空心結(jié)構(gòu)，減輕天線的重量，使天線適用于穿戴系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括輻射單元、天線介質(zhì)、地板和同軸線，輻射單元和地板分別與同軸線內(nèi)芯和外芯相連進(jìn)行饋電，天線介質(zhì)由人的衣物構(gòu)成，輻射單元垂直固定在衣物的表面，地板對稱固定在輻射單元垂直固定處的衣物的底面，其特征在于，輻射單元由高度和大小不同的四層一體紐扣式金屬體組成，第一層采用底面開有圓形通孔的空心的圓錐體，第二層采用空心的圓柱體，第三層采用長方體，第四層采用正六棱柱體。所述的可穿戴式超寬帶天線，其中第一層圓錐體的上圓半徑大于下圓半徑。所述的可穿戴式超寬帶天線，其中第一層圓錐體的下圓半徑等于第二層圓柱體的半徑。所述的可穿戴式超寬帶天線，其中第二層圓柱體的中空橫截面與第一層圓錐體的底面的圓形通孔大小相同。所述的可穿戴式超寬帶天線，其中第四層正六棱柱體下部設(shè)有三個(gè)過孔，用于將輻射單元縫制在衣物上。所述的可穿戴式超寬帶天線，其中第四層正六棱柱體的三個(gè)過孔為相互交叉 60°、半徑相同的圓柱形通孔。所述的可穿戴式超寬帶天線，其中第二層圓柱體的底面積大于第三層長方體的底面積，第三層長方體的底面積大于第四層正六棱柱體的底面積。所述的可穿戴式超寬帶天線，其中輻射單元的總高度h< λ/4，四層的高度比例為hi h2 h3 h4 7 4 2 4，其中λ為最大工作波長，hl，h2，h3，h4分別為
第一層圓錐體的高度，第二層圓柱體的高度，第三層長方體的高度，第四層正六棱柱體的高度。本發(fā)明的輻射單元由于采用四層不同高度和寬度的紐扣形金屬體結(jié)構(gòu)，通過分別調(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有圓形通孔的空心的圓錐體，第二層采用空心的圓柱體，減輕了天線的重量；此外由于第四層采用設(shè)有三個(gè)過孔的正六棱柱體，易實(shí)現(xiàn)天線與衣物之間的固定。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，同時(shí)減輕了天線重量，便于人體攜帶。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的天線結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明天線整體結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明天線的輻射單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明天線的地板結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明天線的工作頻率-回波損耗曲線圖；圖6是本發(fā)明天線在各個(gè)頻率點(diǎn)的E面的遠(yuǎn)場方向圖；圖7是本發(fā)明天線在各個(gè)頻率點(diǎn)的H面的遠(yuǎn)場方向圖。
具體實(shí)施例方式參照圖2，本發(fā)明天線主要由輻射單元1，介質(zhì)材料2、地板3和同軸線4組成，天線介質(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對稱固定在輻射單元1 垂直固定處的衣物的底面。參照圖3，所述輻射單元1采用四層一體紐扣式金屬結(jié)構(gòu)，這四層一體紐扣式金屬結(jié)構(gòu)的高度和大小不同。第一層101采用空心的圓錐體，圓錐體的底面開有圓形通孔， 第一層101圓錐體的上圓半徑大于下圓半徑，是一個(gè)上寬下窄的圓錐體。第二層102采用空心的圓柱體，第二層102圓柱體的半徑與第一層101圓錐體的下圓半徑相同，第二層102 圓柱體的中空橫截面與第一層101圓錐體的底面的圓形通孔大小相同。第三層103采用長方體。第四層104采用正六棱柱體，正六棱柱體上設(shè)有三個(gè)圓柱形過孔105，這三個(gè)圓柱形過孔105相互交叉60°、半徑相同，通過這三個(gè)孔將輻射單元1縫制在衣物上。第二層102圓柱體的底面積大于第三層103長方體的底面積，第三層103長方體的底面積大于第四層104正六棱柱體的底面積。輻射單元1的總高度h< λ/4，四層的高度比例為 hi h2 h3 h4 7 4 2 4，其中λ為最大工作波長，hi為第一層101圓錐體的高度，h2為第二層102圓柱體的高度，h3為第三層103長方體的高度，h4為第四層104 正六棱柱體的高度。所述的四層結(jié)構(gòu)由機(jī)械整體加工完成。參照圖4，所述的地板形狀為矩形，地板中心有一個(gè)圓孔301貫通地板3和介質(zhì)材料2，通過該孔，輻射單元1和地板3分別與同軸線4內(nèi)芯和外芯相連對輻射單元1進(jìn)行饋電，地板由金屬材料制成，并可通過與同軸線4焊接或與衣物用膠連接，固定在衣物的背面。下面通過對天線實(shí)例的仿真來進(jìn)一步說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.仿真實(shí)例設(shè)輻射單元的第一層圓錐體的上圓半徑為9mm，下圓半徑為7mm，高度為7mm，壁厚為1mm，第二層圓柱體的半徑為7mm，高度為4. 2mm,壁厚為1mm，第三層長方體的長為7. 5mm，寬為7mm，高為2. 3mm，第四層六棱柱體的邊長為3. 5mm，高為4. 1mm。圓柱形過孔的中心距地板2. 5mm，半徑為1mm。介質(zhì)材料選擇長為55mm，寬為65mm，厚度為2mm，介電常數(shù)為1. 4的羊毛織物作為人的衣物。地板選擇長為55mm，寬為65mm，厚度為0. 2mm的銅板，地板中心的圓孔半徑為2mm。1、仿真內(nèi)容1)利用仿真軟件對上述實(shí)施例天線的回波損耗曲線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。從圖5可見，本發(fā)明天線在回波損耗小于負(fù)IOdB的條件下，具有3. 05GHz-10. 8GHz 的工作頻帶，覆蓋了超寬帶工作頻帶，這說明本發(fā)明天線具有良好的超寬帶工作性能。
2)利用仿真軟件對上述實(shí)施例天線的遠(yuǎn)場方向圖進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6和圖7所示，其中圖6(a)為對實(shí)施例天線在4GHz時(shí)仿真得到的E面的遠(yuǎn)場方向圖，圖7 (a)為對實(shí)施例天線在4GHz時(shí)仿真得到的H面的遠(yuǎn)場方向圖；圖6(b)為對實(shí)施例天線在6. 5GHz時(shí)仿真得到的E面的遠(yuǎn)場方向圖，圖7(b)為對實(shí)施例天線在6. 5GHz時(shí)仿真得到的H面的遠(yuǎn)場方向圖；圖6 (c)為對實(shí)施例天線在9GHz時(shí)仿真得到的E面的遠(yuǎn)場方向圖，圖7(c)為對實(shí)施例天線在9GHz時(shí)仿真得到的H面的遠(yuǎn)場方向圖。從圖6(a)可見，在4GHz時(shí)，本發(fā)明天線在E面具有良好的全向輻射性能，從圖 7 (a)可見，H面對稱分布，實(shí)施例天線的最大增益為3. 25dB ；從圖6(b)中可見，在6. 5GHz時(shí)，本發(fā)明天線在E面具有良好的全向輻射性能，從圖7 (b)可見，H面對稱分布，實(shí)施例天線的最大增益為4. 53dB ；從圖6(c)中可見，在9GHz時(shí)，本發(fā)明天線在E面具有良好的全向輻射性能，從圖 7(c)可見，H面對稱分布，實(shí)施例天線的最大增益為5. 55dB。由圖6和圖7可見，在上述三個(gè)頻點(diǎn)，本發(fā)明天線的增益均大于等于3. 25dB，具有較高的增益。所述實(shí)例僅為本發(fā)明天線的一個(gè)具體實(shí)施例，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下，可以對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)而得到本發(fā)明天線的超寬帶頻帶和重量輕特性，但這些均在本發(fā)明的保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種可穿戴式超寬帶天線，包括輻射單元(1)、天線介質(zhì)O)、地板(3)和同軸線 (4)；天線介質(zhì)(2)由人的衣物構(gòu)成，輻射單元⑴垂直固定在衣物的表面，地板⑶對稱固定在輻射單元(1)垂直固定處的衣物的底面；輻射單元(1)和地板C3)分別與同軸線內(nèi)芯和外芯相連進(jìn)行饋電，其特征在于，輻射單元(1)由高度和大小不同的四層一體紐扣式金屬體組成，第一層(101)采用底面開有圓形通孔的空心的圓錐體，第二層(102)采用空心的圓柱體，第三層(10 采用長方體，第四層(104)采用正六棱柱體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式超寬帶天線，其特征在于第一層(101)圓錐體的上圓半徑大于下圓半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式超寬帶天線，其特征在于第一層(101)圓錐體的下圓半徑等于第二層(102)圓柱體的半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式超寬帶天線，其特征在于第二層(102)圓柱體的中空橫截面與第一層(101)圓錐體的底面的圓形通孔大小相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式超寬帶天線，其特征在于第四層(104)正六棱柱體下部設(shè)有三個(gè)過孔(105)，用于將輻射單元(1)縫制在衣物上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可穿戴式超寬帶天線，其特征在于第四層(104)正六棱柱體的三個(gè)過孔(10 為相互交叉60°、半徑相同的圓柱形通孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式超寬帶天線，其特征在于第二層(102)圓柱體的底面積大于第三層(10 長方體的底面積，第三層(10 長方體的底面積大于第四層(104) 正六棱柱體的底面積。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式超寬帶天線，其特征在于輻射單元(1)的總高度h <入/4，四層的高度比例為hi h2 h3 h4^7 4 2 4，其中λ為最大工作波長，hl，h2，h3，h4分別為第一層(101)圓錐體的高度，第二層(102)圓柱體的高度，第三層 (103)長方體的高度，第四層(104)正六棱柱體的高度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可穿戴式超寬帶天線，主要解決現(xiàn)有天線不能覆蓋超寬帶頻段，且重量重，不易穿戴的問題。該天線由輻射單元(1)、天線介質(zhì)(2)、地板(3)和同軸線(4)組成，天線介質(zhì)由人的衣物構(gòu)成，輻射單元垂直固定在衣物的表面，地板對稱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內(nèi)芯和外芯相連進(jìn)行饋電，其中輻射單元由四層一體紐扣式金屬體組成，第一層(101)采用底面開有圓形通孔的空心的圓錐體，第二層(102)采用空心的圓柱體，第三層(103)采用長方體，第四層(104)采用設(shè)有過孔(105)的正六棱柱體。同軸線通過位于地板中心的圓孔(301)對輻射單元進(jìn)行饋電。本發(fā)明可覆蓋超寬帶頻段，并具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/36GK102570006SQ20121000050
公開日2012年7月11日 申請日期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, 趙程光, 龔書喜 申請人:西安電子科技大學(xué)