一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，包括偶極子天線和人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，偶極子天線由天線輻射枝節(jié)、弧形饋線和柔性介質(zhì)基板構(gòu)成，天線輻射枝節(jié)由4個(gè)S形枝節(jié)構(gòu)成，上、下和左、右S形枝節(jié)分別關(guān)于柔性介質(zhì)基板的中心點(diǎn)對稱，其中上、左及下、右S形枝節(jié)分別通過矩形貼片連接，上、左S形枝節(jié)位于柔性介質(zhì)基板的正面，下、右S形枝節(jié)位于柔性介質(zhì)基板的背面，弧形饋線通過矩形貼片與基板正面的S形枝節(jié)相連。人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板、周期性方形貼片單元及金屬地板構(gòu)成。本實(shí)用新型具有柔性、尺寸小、剖面低、寬頻帶、低輻射、高增益、美觀等優(yōu)點(diǎn)，適用于人體局域網(wǎng)領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種人體移動(dòng)通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著移動(dòng)電子技術(shù)與超低功耗消費(fèi)電子的結(jié)合，以及半導(dǎo)體無線收發(fā)器芯片和傳感器的日趨小型化，人體局域網(wǎng)(BAN)可通過高速、短距離的無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)的醫(yī)療器件與體外傳感器的無線互連，并利用監(jiān)測工具實(shí)時(shí)提供病人的健康數(shù)據(jù)。人體局域網(wǎng)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)保健以及軍事智能化等方面具有重要的作用。全球的醫(yī)療保健和健康診療手段正發(fā)生著快速的變化，支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測和治療的新服務(wù)將不斷涌現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)醫(yī)療服務(wù)發(fā)展到一個(gè)全新的水平。天線作為人體局域網(wǎng)系統(tǒng)中必不可少的部分也具有重要的發(fā)展及應(yīng)用前景。超寬帶技術(shù)具有低發(fā)射功率、高數(shù)據(jù)傳輸率等特征，適用于人體局域網(wǎng)系統(tǒng)。超寬帶的低頻段3.1?4.9GHz以及高頻段6.0?10.6GHz被用于穿戴式無線人體域網(wǎng)中。因此，基于超寬帶技術(shù)的人體局域網(wǎng)天線設(shè)計(jì)具有重要意義。然而，由于其特殊的工作環(huán)境(體表/體內(nèi))的要求，我們在考慮天線回波損耗、增益等基本性能的同時(shí)，還要考慮天線的柔軟性、低剖面、尺寸小、低輻射、以及人體對天線性能的影響等?，F(xiàn)有的用于人體局域網(wǎng)的超寬帶天線多數(shù)只具備了上述的部分性能?；谌梭w局域網(wǎng)天線的特殊要求，以及現(xiàn)有人體局域網(wǎng)超寬帶天線的不足，我們設(shè)計(jì)了一款具有可穿戴、尺寸小、剖面低、寬頻帶、低福射、高增益等性能的人體局域網(wǎng)天線。
[0003]傳統(tǒng)的半波偶極子天線由兩根直徑和長度都相等的直導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線的長度為1/4個(gè)工作波長。導(dǎo)線的直徑遠(yuǎn)小于工作波長，天線的激勵(lì)加在天線中間的兩個(gè)相鄰端點(diǎn)上。平面印刷偶極子天線屬于半波偶極子天線的變形，它是由印刷在介質(zhì)基板表面的兩條導(dǎo)體微帶線組成。天線從兩條導(dǎo)體微帶線的中間饋電，且兩條微帶線上的電流流向相同。平面印刷偶極子天線具有低剖面、易加工、平面等優(yōu)點(diǎn)，適用于要求天線厚度薄的場合，如植入式醫(yī)療備、穿戴式電子設(shè)備、小型娛樂設(shè)備等。
[0004]天線的小型化有多種方法，常見的有使用彎折天線結(jié)構(gòu)、高介電常數(shù)的基質(zhì)、堆疊天線結(jié)構(gòu)以及多幅天線集成等方法來減小天線尺寸。天線福射枝節(jié)的尺寸與工作波長的大小成正比，使用高介電常數(shù)基質(zhì)，可以減小天線的實(shí)際工作波長，從而減小天線的尺寸。然而，高介電常數(shù)的基質(zhì)一般質(zhì)地堅(jiān)硬，不適于柔性的人體局域網(wǎng)天線設(shè)計(jì)，且價(jià)格昂貴，不利于天線的低成本生產(chǎn)及其普遍適用性。堆疊天線結(jié)構(gòu)是利用上、下貼片間的耦合激勵(lì)或者直接激勵(lì)的方式來增加電流路徑，從而減小天線尺寸的方法。然而，這種方法往往會(huì)增加天線的厚度，不利于天線的低剖面設(shè)計(jì)。彎折天線結(jié)構(gòu)是在同一平面上將天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲折疊，這樣能充分利用平面的空間，增加有效的電流路徑長度，從而達(dá)到縮小天線尺寸的效果。
[0005]人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是一種二維周期性排列的陣列結(jié)構(gòu)，其本身不吸收能量，卻能起到同向反射的作用。它是由位于基板上方的周期性結(jié)構(gòu)和位于基板下方的地板構(gòu)成。不同于理想導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的180°反射相位特性，人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的反射相位從-180°到180°變化，我們通常選取-90°到90°的相位帶隙作為可用帶隙。如果使用具有180°反射相位的理想導(dǎo)體作為反射板，為了使入射信號與反射信號同向，反射板需要距離天線1/4個(gè)工作波長。然而，使用相位從-90°到90°變化的人工磁導(dǎo)體時(shí)，反射板距離天線的距離將小于1/4個(gè)工作波長，從而達(dá)到降低天線剖面的效果。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型提供具有低剖面、寬頻帶、低輻射、高增益、柔性的一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線。
[0007]本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，包括偶極子天線和人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述偶極子天線由天線福射枝節(jié)、弧形饋線和柔性介質(zhì)基板構(gòu)成，所述天線福射枝節(jié)由4個(gè)S形枝節(jié)構(gòu)成，分別為上、下、左、右S形枝節(jié)，所述上、下和左、右S形枝節(jié)分別關(guān)于柔性介質(zhì)基板的中心點(diǎn)對稱，其中上、左S形枝節(jié)及下、右S形枝節(jié)分別通過矩形貼片連接，所述上、左S形枝節(jié)位于柔性介質(zhì)基板的正面，所述下、右S形枝節(jié)位于柔性介質(zhì)基板的背面，所述弧形饋線通過矩形貼片與柔性介質(zhì)基板正面的S形枝節(jié)相連，所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板、刻蝕在人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板正面的周期性方形貼片單元及刻蝕在人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板背面的金屬地板構(gòu)成。
[0009]所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于偶極子天線的正下方，垂直距離2mm。
[0010]所述4個(gè)S形枝節(jié)結(jié)構(gòu)相同，由半圓貼片和漸窄的弧形貼片連接構(gòu)成，所述漸窄的弧形貼片由大圓減去與其內(nèi)切的小圓構(gòu)成。
[0011]所述半圓貼片的圓心、大圓的圓心及小圓的圓心都在柔性介質(zhì)基板的豎直中線上，所述大圓半徑為5.2mm,小圓半徑為3.5mm,半圓貼片的半徑為3.6mm,所述大圓圓心距離半圓貼片垂直距離為1mm。
[0012]所述弧形饋線是由一個(gè)半圓環(huán)構(gòu)成,所述半圓環(huán)的寬度為0.35mm,所述半圓環(huán)的內(nèi)圓環(huán)半徑2.05mm,所述半圓環(huán)的圓心在柔性介質(zhì)基板的豎直中線上。
[0013]所述弧形饋線位于下S形枝節(jié)相對應(yīng)的柔性介質(zhì)基板正面。
[0014]同軸線的外導(dǎo)體焊接到柔性介質(zhì)基板背面的S形枝節(jié)上，內(nèi)芯焊接到弧形饋線。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果:
[0016]彎折枝節(jié)是實(shí)現(xiàn)天線小型化的關(guān)鍵，由于偶極子輻射枝節(jié)的長度約為四分之一個(gè)波長，如果采用規(guī)則形狀的單極子輻射枝節(jié)，會(huì)導(dǎo)致天線尺寸的增加，本實(shí)用新型采用兩個(gè)相互正交的偶極子覆蓋了 6.0?10.6GHz低頻段。S枝節(jié)與普通矩形枝節(jié)相比，所占用空間更小，減小了天線整體尺寸。另外，天線采用弧形微帶線饋電，有利于同軸饋線與天線的連接。傳統(tǒng)的偶極子天線是一個(gè)端口激勵(lì)一個(gè)偶極子，本方案中利用兩個(gè)S形輻射枝節(jié)相連，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)端口激勵(lì)兩個(gè)偶極子工作，這樣就減少了雙端口設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)，本實(shí)用新型中的偶極子結(jié)構(gòu)具有的相對帶寬(76.7%)比傳統(tǒng)的偶極子天線的相對帶寬(31%)大兩倍以上。
[0017]人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的引用，不僅改善了天線的輻射性能，而且減少了人體與天線的相互影響。人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)采用無金屬通孔的正方形結(jié)構(gòu)，易于加工和制作。
[0018]該天線是小型的柔性平面結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、剖面低、寬頻帶、低輻射、高增益等優(yōu)點(diǎn)，在自由空間、人體上以及彎曲狀態(tài)下，天線都具有良好的輻射特性。該天線具有使用價(jià)值，能普遍應(yīng)用于人體域網(wǎng)系統(tǒng)中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線的結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖；
[0020]圖2是偶極子天線的結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖；
[0021]圖3(a)是方形貼片單元的結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖，圖3(b)是人工磁導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖；
[0022]圖4(a)是本實(shí)用新型的Sll曲線圖，圖4(b)是本實(shí)用新型在6GHz時(shí)的輻射方向圖。
[0023]圖中示出:
[0024]I一偶極子天線，2一人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，IA一上S形枝節(jié)，IB—左S形枝節(jié)，IC一下S形枝節(jié)，ID一右S形枝節(jié),3—弧形饋線,4一柔性介質(zhì)基板,5—方形貼片單元,6—人工磁導(dǎo)體的柔性介質(zhì)基板，7—金屬地板。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0026]實(shí)施例
[0027]如圖1所示，一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，包括偶極子天線I和人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2，所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2位于偶極子天線I的正下方，垂直距離為2mm，主要用于隔離天線下方的電磁波，保護(hù)人體免受輻射，同時(shí)，增大天線的正向增益。
[0028]如圖2所示，偶極子天線制作在相對介電常數(shù)為3.2、介質(zhì)損耗正切值為0.002和厚度為0.14mm的Panasonic R-F770柔性介質(zhì)基板4上，其尺寸為26X26X0.14mm3。
[0029]偶極子天線I由天線福射枝節(jié)、弧形饋線3和柔性介質(zhì)基板4構(gòu)成，所述天線福射枝節(jié)由4個(gè)S形枝節(jié)構(gòu)成，所述4個(gè)S形枝節(jié)結(jié)構(gòu)相同，均由半圓貼片和漸窄的弧形貼片連接構(gòu)成，所述漸窄的弧形貼片由大圓減去與其內(nèi)切的小圓構(gòu)成，所述漸窄的弧形貼片的寬端與半圓貼片連接。所述4個(gè)S形枝節(jié)分別為上、下、左、右S形枝節(jié)1A、1B、1C、1D，每兩個(gè)相鄰S形枝節(jié)間隔90度，所述上、下S形枝節(jié)1A、1C和左、右S形枝節(jié)1B、1D分別關(guān)于柔性介質(zhì)基板4的中心點(diǎn)對稱，其中上S形枝節(jié)IA和左S形枝節(jié)IB通過矩形貼片相連，并位于柔性介質(zhì)基板4的正面，下S形枝節(jié)IC和右S形枝節(jié)ID通過矩形貼片相連，且位于柔性介質(zhì)基板的背面。S形枝節(jié)的半圓貼片的半徑rl影響天線的頻段，隨著rl的增加，S形枝節(jié)的長度增加，頻段向低頻移動(dòng)。組成漸窄弧形貼片的大圓半徑r3影響弧形貼片的長短，隨著r3的增加，S形枝節(jié)的長度增加，頻段向低頻移動(dòng)。S形枝節(jié)由半圓貼片和漸窄弧形貼片連接構(gòu)成。半圓貼片的半徑rl為3.6_，漸窄的弧形貼片是由大圓減去與其內(nèi)相切的小圓形成的，其中大圓半徑r3為5.2mm,小圓半徑r2為3.5mm。所述半圓貼片的圓心、大圓的圓心及小圓的圓心都在柔性介質(zhì)基板的豎直中線上。
[0030]天線饋電結(jié)構(gòu)采用弧形饋線，所述弧形饋線是由一個(gè)半圓環(huán)構(gòu)成，所述半圓環(huán)的內(nèi)圓環(huán)半徑2.05mm,所述半圓環(huán)的圓心在柔性介質(zhì)基板的豎直中線上。所述弧形饋線3通過矩形貼片與柔性介質(zhì)基板4正面的S形枝節(jié)相連，所述弧形饋線3位于下S形枝節(jié)1C相對應(yīng)的柔性介質(zhì)基板正面。同軸線的外導(dǎo)體焊接到柔性介質(zhì)基板背面的下S形枝節(jié)1C上，內(nèi)芯焊接到弧形饋線上。所述弧形饋線的寬度dl對天線阻抗匹配有較大的影響，隨著dl的增加，天線的阻抗匹配變差，阻抗帶寬減小，弧形饋線的寬度dl為0.35mm ;弧形饋線的長度對天線的阻抗匹配影響較小，隨著弧形饋線內(nèi)環(huán)半徑r4的變化，天線的阻抗帶寬變化較小。
[0031]如圖3(b)所示，人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由人工磁導(dǎo)體的柔性介質(zhì)基板6、刻蝕在人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板正面的周期性排列方形貼片單元5及刻蝕在人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板背面的金屬地板7構(gòu)成。所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是由5X5的方形貼片單元周期性排列而成。如圖3(a)所示，所述方形貼片刻蝕在方形介質(zhì)基板上構(gòu)成方形貼片單元。w是人工磁導(dǎo)體的寬度為46_。人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方形貼片長度a為8mm,方形介質(zhì)板的長度b為9.2_。實(shí)際加工中，柔性介質(zhì)基板的厚度最大只能達(dá)到0.14mm，而所需的人工磁導(dǎo)體的介質(zhì)基板6的厚度為3.6mm,為此，我們米用上、下兩層0.05mm Panasonic R-F770柔性基板與中間
3.5mm的柔性泡沫板疊加構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)具有較寬的±90°相位帶隙，作為天線的反射板時(shí)，既可以滿足天線帶寬，又可降低天線的背向輻射，增加天線的正向增益。
[0032]圖4(a)中的S11曲線圖以及圖4(b)所示在6GHz時(shí)的輻射方向圖展示了在回波損耗S11彡-10dB的標(biāo)準(zhǔn)下，天線覆蓋了 6?10.6GHz頻段。由于人工磁導(dǎo)體的同向發(fā)射作用，加載人工磁導(dǎo)體的天線放在人體上時(shí)，天線具有單向輻射特性，且其最大增益達(dá)到9dBi。
[0033]其他參數(shù)說明如下:L是介質(zhì)基板的長度為13mm。d是組成弧形貼片大圓原點(diǎn)距離半圓貼片的距離為1mm, 11是連接弧形微帶線與S形枝節(jié)的矩形貼片的長度為0.7mm,r4是構(gòu)成弧形饋線的內(nèi)圓環(huán)半徑為2.05mm, Φ是相鄰S形枝節(jié)間的角度為90°。
[0034]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，其特征在于，包括偶極子天線和人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述偶極子天線由天線輻射枝節(jié)、弧形饋線和柔性介質(zhì)基板構(gòu)成，所述天線輻射枝節(jié)由4個(gè)S形枝節(jié)構(gòu)成，分別為上、下、左、右S形枝節(jié)，所述上、下和左、右S形枝節(jié)分別關(guān)于柔性介質(zhì)基板的中心點(diǎn)對稱，其中上、左S形枝節(jié)及下、右S形枝節(jié)分別通過矩形貼片連接，所述上、左S形枝節(jié)位于柔性介質(zhì)基板的正面，所述下、右S形枝節(jié)位于柔性介質(zhì)基板的背面，所述弧形饋線通過矩形貼片與柔性介質(zhì)基板正面的S形枝節(jié)相連，所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板、刻蝕在人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板正面的周期性方形貼片單元及刻蝕在人工磁導(dǎo)體柔性介質(zhì)基板背面的金屬地板構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，其特征在于，所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于偶極子天線的正下方，垂直距離2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，其特征在于，所述4個(gè)S形枝節(jié)結(jié)構(gòu)相同，由半圓貼片和漸窄的弧形貼片連接構(gòu)成，所述漸窄的弧形貼片由大圓減去與其內(nèi)切的小圓構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，其特征在于，所述半圓貼片的圓心、大圓的圓心及小圓的圓心都在柔性介質(zhì)基板的豎直中線上，所述大圓半徑為5.2mm,小圓半徑為3.5mm,半圓貼片的半徑為3.6mm,所述大圓圓心距離半圓貼片垂直距離為1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，其特征在于，所述弧形饋線是由一個(gè)半圓環(huán)構(gòu)成，所述半圓環(huán)的寬度為0.35mm,所述半圓環(huán)的內(nèi)圓環(huán)半徑2.05mm,所述半圓環(huán)的圓心在柔性介質(zhì)基板的豎直中線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，其特征在于，所述弧形饋線位于下S形枝節(jié)相對應(yīng)的柔性介質(zhì)基板正面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬頻帶偶極子天線，其特征在于，同軸線的外導(dǎo)體焊接到柔性介質(zhì)基板背面的S形枝節(jié)上，內(nèi)芯焊接到弧形饋線。
【文檔編號】H01Q1/36GK204067569SQ201420513430
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】劉雄英, 邸允會(huì) 申請人:華南理工大學(xué)