CN115458932A - 一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线移动通信领域的一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，所述天线包括三层毛毡基板和四层聚酰亚胺薄膜电路，金属结构被印刷在聚酰亚胺薄膜上，金属结构有四层，四层金属层从下到上依次为微带线层、缝隙耦合层、均匀的超表面层和非均匀的堆叠贴片层。本发明天线有效抑制了高次模式方向图的畸变，在高频段保持良好的宽边辐射特性，还具有很宽的匹配带宽，天线增益稳定，3 dB增益带宽超过49%；整体由柔性材料加工，尺寸较小、适合穿戴，具有较强的鲁棒性，性能受柔性基板形变的影响较小，而且天线受人体组织影响小，电磁辐射吸收率在安全范围内。

Description

一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线
技术领域
本发明属于无线移动通信领域，具体涉及一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线。
背景技术
在无线通信技术不断发展的背景下，无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）的研究也越来越多，通过灵活地接收和处理来自可穿戴设备及传感器的人体信号，无线体域网可以广泛地应用于监控医疗、运动训练和军事应用中，考虑到工作场景的特殊性，可穿戴天线相比于传统的天线需满足更多的要求。
首先，为了不影响穿戴的舒适性，天线应由柔性材料加工，并且性能受形变影响小，其次，小型化及宽带化的可穿戴天线将有助于***的紧凑性设计，并且能有效抵抗人体组织加载带来的频偏现象，在动态变化的人体环境中维持稳定、良好的性能，再者，可穿戴天线需要与人体组织之间有较低的耦合，这不仅可以提高天线辐射效率和增益，降低节点功耗，还有助于减小比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR），使人体免受电磁辐射侵害。
超表面天线虽然具有低剖面、宽频带、高增益的优点，完美契合可穿戴天线的需求，但在频率较高时，由于高次模式的激发，其辐射方向图会发生畸变，此外，超表面天线通常具有较大的体积，影响了该天线在可穿戴天线中的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，所述天线包括三层毛毡基板和四层聚酰亚胺薄膜电路，金属结构被印刷在聚酰亚胺薄膜上，金属结构有四层，四层金属层从下到上依次为微带线层、缝隙耦合层、均匀的超表面层和非均匀的堆叠贴片层。
优选地，所述毛毡基板的介电常数为1.26，损耗角正切为0.02，聚酰亚胺薄膜的厚度为0.07mm，介电常数为3.4，损耗角正切为0.008。
优选地，三层所述毛毡基板从下到上依次厚度为1 mm、3 mm和1 mm。
优选地，所述微带线层为Y型的微带线结构，包括一段长度为Lf1的50 Ω微带传输线和两段长度为Lf3的微带臂，两臂间距离为Lf2；
所述缝隙耦合层通过在金属层中间位置刻蚀一个长度为Lss，宽度为Wss的矩形槽形成；
所述超表面层由一组4×4的贴片阵列组成，单元边长为L1，单元间隙为g；
所述堆叠贴片层为将大小不等的贴片放置在方形金属层各单元间形成的横向缝隙的正上方，根据大小分为两组，其中位于中间的两列单元大小为L2×W2，并且中间两个单元通过两根直径为d的铜丝与下层进行短接，边缘两列大小为L3×W3。
优选地，所述天线的具体参数为：Ws=50mm，W1=7mm，W2=7mm，W3=7mm，Wf1=4.6mm，Wf2=1.4mm，Wss=1.5mm，L1=7mm，L2=6.8mm，L3=7.5mm，Lf1=21mm，Lf2=11.4mm，Lf3=10.3mm，Lss=17.5mm，d=1.2mm，dsp=1mm，g=1mm。
优选地，所述天线通过加载短路柱抑制超表面天线高次辐射模式方向图的畸变。
本发明的有益效果：
1、本发明天线有效抑制了高次模式方向图的畸变，在高频段保持良好的宽边辐射特性，还具有很宽的匹配带宽，天线增益稳定，3 dB增益带宽超过49%；
2、本发明天线整体由柔性材料加工，尺寸较小、适合穿戴，具有较强的鲁棒性，性能受柔性基板形变的影响较小，而且天线受人体组织影响小，电磁辐射吸收率在安全范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明小型化柔性可穿戴天线的分层结构示意图；
图2是本发明中微带线层结构图；
图3是本发明中超表面层结构图；
图4是本发明中堆叠贴片层结构图；
图5是本发明中特征模分析下高次模式的电流分布图；
其中，(a)无短路柱，(b)有短路柱；
图6是本发明中特征模分析下有无短路柱时的辐射特性对比图；
图7是本发明中人体结构对天线反射系数和增益的影响图；
图8是本发明中形变对天线反射系数和增益的影响图；
图9是本发明中天线在自由空间中的方向图；
其中，(a)5 GHz ，(b)6 GHz， (c)7 GHz；
图10是本发明中全波仿真下有/无短路柱时高次模式辐射特性对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图10所示，本发明在于改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线的设计方案，通过缝隙耦合馈电，实现4.42~7.66 GHz（53.6%）的阻抗带宽，峰值增益9.6 dBi，带内增益稳定，3dB增益带宽4.55~7.54GHz（49.5%），而贴片尺寸仅为0.62×0.62λ02（λ0为中心频率对应的波长）。
本发明提出的天线由三层毛毡基板和四层聚酰亚胺薄膜电路组成，其中，毛毡的介电常数为1.26，损耗角正切为0.02，聚酰亚胺薄膜的厚度为0.07mm，介电常数为3.4，损耗角正切为0.008。金属结构从下到上依次为微带线层，缝隙耦合层，均匀的超表面层以及非均匀的堆叠贴片层。其中微带线层包括一段50Ω的微带传输线和两段微带臂，缝隙耦合层则通过覆盖于整片薄膜上的金属层中间位置刻蚀一个矩形槽形成，超表面层由一组4×4的贴片阵列组成，而最上层的堆叠贴片层位于超表面层各单元间形成的横向缝隙的正上方，这可以增加超表面结构间的等效电容，从而减小天线的尺寸。此外，还将位于最中心的两个单元通过铜丝与下层进行短接，这可以优化超表面的高次模式的辐射特性，使天线在高频处依然保持良好的宽边辐射特性。
图1是天线的分层结构图，天线包含三层毛毡基板和四层聚酰亚胺薄膜，三层毛毡基板从下到上依次厚度为1 mm、3 mm和1 mm，金属结构被印刷在聚酰亚胺薄膜上，四层金属层从下到上依次为微带线层，缝隙耦合层，均匀的超表面层以及非均匀的堆叠贴片层。
图2-图4展示了各层的结构图，其中微带线层为Y型的微带线结构，包括一段长度为Lf1的50 Ω微带传输线和两段长度为Lf3的微带臂，两臂间距离为Lf2，缝隙耦合层则通过在整片薄膜上的金属层中间位置刻蚀一个长度为Lss，宽度为Wss的矩形槽形成，超表面层由一组4×4的贴片阵列组成，单元边长为L1，单元间隙为g，而最上层的堆叠贴片层则是将大小不等的贴片放置在方形金属层各单元间形成的横向缝隙的正上方，根据其大小可分为两组，其中位于中间的两列单元大小为L2×W2，并且中间两个单元通过两根直径为d的铜丝与下层进行短接，边缘两列大小为L3×W3。天线的具体参数如下：Ws = 50 mm，W1 = 7mm,，W2 = 7 mm，W3 = 7 mm，Wf1 = 4.6 mm，Wf2 = 1.4 mm，Wss = 1.5 mm，L1 = 7 mm，L2 =6.8 mm，L3= 7.5 mm，Lf1 = 21 mm，Lf2 = 11.4 mm，Lf3 = 10.3 mm，Lss = 17.5 mm，d =1.2 mm，dsp = 1 mm，g = 1 mm。此尺寸参数系针对反射系数的优化结果，最终实现4.42~7.66GHz（53.6%）的阻抗带宽，峰值增益9.6 dBi，3dB增益带宽4.55~7.54GHz（49.5%）。
图5和图6分别展示了特征模分析下，有无短路柱加载时高次模式的电流分布情况和辐射特性，通过加载短路柱，减小中间两列超表面结构以及堆叠贴片上的电流，以达到改善方向图的目的。并且加载短路柱后，不仅在方向性系数和主瓣波束宽度上有了明显改善，更为重要的是副瓣水平显著降低，从-1.8 dB降低到-10 dB。
图7展示的是天线在自由空间和人体组织上方5mm时的反射系数和增益，人体组织使得天线的反射系数发生轻微频偏，并且由于人体对电磁波的吸收作用，天线的整体增益有所下降，但依然保持较高水平，因此该天线适合工作于人体周围。图8为沿着不同半径圆柱弯曲后天线的性能，可以看到，由于形状弯曲的影响，天线整体性能稍有恶化，但依然能够保证很宽工作带宽，由此可以得出该天线具有较强的鲁棒性。
图9展示了天线在自由空间中的方向图，在5 GHz、6 GHz和7 GHz处，天线沿法向方向辐射，并且具有很低的交叉极化，可以很好地满足体外通信。
图10中对比了全波仿真下有无短路柱时在高次谐振频点处的辐射特性，与特征模分析结果相似，无短路柱加载时，由于高次模式的干扰，辐射方向图副瓣较高，天线增益下降，增加短路柱后，高次辐射模式得到了较好的抑制，辐射特性明显改善。
最后，在CST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0.1W，当距离人体组织5mm时，仿真得到的SAR值结果如表1所示，在1g标准下，天线在5 GHz、6 GHz和7 GHz时的SAR值分别为1.59 W/kg、1.38 W/kg和1.07 W/kg；而在10g标准下，SAR值在5 GHz、6 GHz与7 GHz时分别为0.60 W/kg、0.42 W/kg和0.38 W/kg，天线在工作频段内的SAR值均满足美国和欧盟的标准。
表1：天线在不同频率处SAR值仿真结果
频率 1 g SAR 10 g SAR
5GHz 1.59 W/kg 0.60 W/kg
6GHz 1.38 W/kg 0.42W/kg
7GHz 1.07 W/kg 0.38 W/kg
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度 高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，其特征在于，所述天线包括三层毛毡基板和四层聚酰亚胺薄膜电路，金属结构被印刷在聚酰亚胺薄膜上，金属结构有四层，四层金属层从下到上依次为微带线层、缝隙耦合层、均匀的超表面层和非均匀的堆叠贴片层。
2.根据权利要求1所述的一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，其特征在于，所述毛毡基板的介电常数为1.26，损耗角正切为0.02，聚酰亚胺薄膜的厚度为0.07mm，介电常数为3.4，损耗角正切为0.008。
3.根据权利要求1所述的一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，其特征在于，三层所述毛毡基板从下到上依次厚度为1 mm、3 mm和1 mm。
4.根据权利要求1所述的一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，其特征在于，所述微带线层为Y型的微带线结构，包括一段长度为Lf1的50 Ω微带传输线和两段长度为Lf3的微带臂，两臂间距离为Lf2；
所述缝隙耦合层通过在金属层中间位置刻蚀一个长度为Lss，宽度为Wss的矩形槽形成；
所述超表面层由一组4×4的贴片阵列组成，单元边长为L1，单元间隙为g；
所述堆叠贴片层为将大小不等的贴片放置在方形金属层各单元间形成的横向缝隙的正上方，根据大小分为两组，其中位于中间的两列单元大小为L2×W2，并且中间两个单元通过两根直径为d的铜丝与下层进行短接，边缘两列大小为L3×W3。
5.根据权利要求4所述的一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，其特征在于，所述天线的具体参数为：Ws=50mm，W1=7mm，W2=7mm，W3=7mm，Wf1=4.6mm，Wf2=1.4mm，Wss=1.5mm，L1=7mm，L2=6.8mm，L3=7.5mm，Lf1=21mm，Lf2=11.4mm，Lf3=10.3mm，Lss=17.5mm，d=1.2mm，dsp=1mm，g=1mm。
6.根据权利要求4所述的一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，其特征在于，所述天线通过加载短路柱抑制超表面天线高次辐射模式方向图的畸变。
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GR01 Patent grant
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