CN203942017U - 一种仿生物学三频带单极子天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿生物学三频带单极子天线，包括天线辐射单元、共面波导馈电部分及柔性介质基板，所述共面波导馈电部分由50Ω微带线和地板构成，所述50Ω微带线位于地板的中间位置，所述天线辐射单元由S形枝节、U形枝节及i形枝节构成；所述U形枝节由左侧枝节及右侧枝节构成，所述U形枝节的底部与50Ω微带线连接，所述S形枝节由两个半圆环构成，两个半圆环分别为上半圆环及下半圆环，i形枝节加载在U形枝节和S形枝节之间。本实用新型适用于人体局域网领域。

Description

一种仿生物学三频带单极子天线

技术领域

本实用新型涉及移动通信领域，特别涉及一种仿生物学三频带单极子天线。

背景技术

当今社会，人口老龄化的速度越来越快，人们对生活质量的要求也越来越高，用于医疗健康领域的无线人体通信技术引起了人们极大的研究兴趣。人体局域网***可以实时监测和传输人体生理数据，它在远程医疗、移动保健以及娱乐等方面具有重要的作用。天线作为人体局域网***中必不可少的部分也具有重要的发展及应用前景。超宽带技术具有低发射功率、高数据传输率等特征，适用于人体局域网***。超宽带的低频段3.1～4.9GHz以及高频段6.0～10.6GHz被用于穿戴式无线人体域网中。现有的超宽带(3.1～10.6GHz)人体局域网天线大都使用硬质板材，不易与人体共形，且覆盖了其他已有无线通信***，如WiMAX(3.3～3.7GHz)、C波段卫星通信***(3.7～4.2GHz)，这样将导致***间的干扰，因此设计一款覆盖3.1～3.3GHz、4.2～4.9GHz和6～10.6GHz频段的天线具有非常重要的意义。

平面印刷单极子天线是指一种印刷在介质基板表面的导体微带线(通常其长度约为四分之一波长),其根部接馈线,其作用及反射类似于偶极子。平面印刷单极子天线具有低剖面、易加工、尺寸小等优点，适用于要求天线厚度薄，尺寸小的场合，如植入式医疗备、穿戴式电子设备、小型娱乐设备等。

天线有多种馈电方式，常用到的有同轴线馈电、微带线馈电和共面波导馈电等方式。共面波导结构是由中间50Ω微带线与两侧地板构成(微带线和地板位于基板同一侧)。此外，为了应对功耗问题，可以在平面波导结构的基板背面加上地板，这就形成了接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide，GCPW)结构。共面波导传输线有很多优点：

(1)导电片和地板位于同一侧，减少了制作难度，也消除了环绕和通孔的需求；

(2)色散低，辐射损失减少；

(3)与微带线结构相比，电子元件可以很容易的安装在共面波导传输线上方，亦即共面波导结构易集成到电路中；

(4)使用共面波导结构，就没有地板寄生不连续点的问题了，天线等可以工作在极高频段；

(5)因为印刷电路板上的走线之间总是有射频地结构，这样使用共面波导传输线可以达到很好的电路隔离效果。很多高隔离的射频开关，使用接地共面波导结构后，其隔离度可达60dB以上；

(6)除金属厚度和基板介电常数外，共面波导结构特征阻抗仅由导电片宽度及导电片与地板之间的缝隙决定，减少了设计难度。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种仿生物学三频带单极子天线。

本实用新型对3.1～3.3GHz、4.2～4.9GHz和6～10.6GHz频段的覆盖，并且该天线易与人体共形，适用于人体局域网***。

该天线有效地实现了超宽带通信***与其他无线通信***的兼容。

本实用新型采用如下技术方案：

一种仿生物学三频带单极子天线，包括天线辐射单元、共面波导馈电部分及柔性介质基板，所述共面波导馈电部分由50Ω微带线和地板构成，所述50Ω微带线位于地板的中间位置，所述天线辐射单元由S形枝节、U形枝节及i形枝节构成；所述U形枝节由左侧枝节及右侧枝节构成，所述U形枝节的底部与50Ω微带线连接，所述S形枝节由两个半圆环构成，两个半圆环分别为上半圆环及下半圆环，所述下半圆环从U形枝节底部中点沿着右侧枝节方向与U形枝节相切，所述i形枝节加载在U形枝节和S形枝节之间。

所述上半圆环及下半圆环的半径相同。

所述i形枝节由椭圆贴片及圆贴片构成，所述圆贴片与椭圆贴片的顶端相连，所述椭圆贴片的底部与U形枝节相切，具体相切位置为：以椭圆贴片垂直地板放置时的中点为原点，逆时针旋转45度沿着右侧枝节方向与U形枝节相切。

所述右侧枝节为渐宽结构。

所述天线辐射单元及共面波导馈电部分刻蚀在柔性介质基板的同一侧。

所述S枝节的长度为17mm，所述U形枝节的左侧枝节高度为11.9mm，所述辐射贴片与地板的距离为0.6mm。

所述椭圆贴片的短半轴长度具体为1.7mm。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型是小型的柔性平面结构，通过共面波导馈电，利用附加谐振枝节实现了三频段特性。在天线中引入S形枝节、U形枝节和i形枝节，以电压驻波比小于2为标准，天线覆盖了3.1～3.3GHz、4.2～4.9GHz和6～10.6GHz频段，实现了与其他无线通信***的共存。

(2)利用不规则的S形、U形和i形辐射枝节，实现了三频带天线的设计，并且天线结构新颖，形似盆景，属于仿生物学天线。

(3)在自由空间和人体环境下，天线具有较好的辐射特性，是一种性能较好的穿戴式天线，该天线具有使用价值，能普遍应用于人体域网***中。

附图说明

图1是本实用新型一种仿生物学三频带单极子天线结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的天线电压驻波比曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种仿生物学三频带单极子天线，包括天线辐射单元、共面波导馈电部分及柔性介质基板6，所述共面波导馈电部分由50Ω微带线4和地板5构成，所述50Ω微带线4位于地板5的中间位置，所述天线辐射单元及共面波导馈电部分刻蚀在柔性介质基板的同一侧。

所述天线辐射单元由S形枝节1、U形枝节2及i形枝节3构成，从而使天线具有三频段特性；所述U形枝节2由左侧枝节及右侧枝节构成，所述U形枝节的底部与50Ω微带线连接，所述S形枝节1由两个半圆环构成，两个半圆环分别为上半圆环及下半圆环，所述下半圆环从U形枝节底部中点沿着右侧枝节方向与U形枝节相切，所述i形枝节加载在U形枝节和S形枝节之间，所述i形枝节由椭圆贴片及圆贴片构成，所述圆贴片与椭圆贴片的顶端相连，所述椭圆贴片的底部与U形枝节相切，具体相切位置为：以椭圆贴片垂直地板5放置时的中点为原点，逆时针旋转45度沿着右侧枝节方向与U形枝节相切。

所述S形枝节1的上半圆环及下半圆环的半径相同。

本实用新型在3.2GHz时长度约为17mm(四分之一波长)的S形枝节覆盖3.1～3.3GHz低频段，S形枝节与普通矩形枝节相比，所占用空间更小，减小了天线整体尺寸；

本实用新型采用左侧枝节覆盖4.5GHz，为了增加中频带宽，天线采用渐宽的U形的右侧枝节，这样整个U形枝节很好的覆盖了6.35～7.8GHz频段。

为了实现高频段覆盖，在U形枝节和S形枝节间加载一个i形枝节，所述i形枝节由与U形枝节相连的椭圆贴片及圆贴片构成，该i形枝节覆盖了7.8～11GHz高频段。该椭圆贴片中心频率与椭圆贴片大小关系约为：

$f=\frac{c}{\mathrm{\λ}}=\frac{72}{l+r}\left(\mathrm{GHz}\right)---\left(1\right)$

式(1)中：l为椭圆高度，r为等效半径且有2πrl＝πab(a和b分别为椭圆长半轴长度和短半轴长度)。椭圆枝节顶端与圆形贴片相连，使椭圆贴片的高度增加，中心谐振频率减小。

本实施例天线制作在相对介电常数为3.2、介质损耗正切值为0.002和厚度为0.05mm的Panasonic R-F770柔性介质基板上，其尺寸为23.6×35×0.05mm3。

共面波导馈电部分采用特征阻抗为50Ω的共面波导结构，具体由50Ω微带线和地板构成，经计算，50Ω微带线的宽度Wf为3mm、缝隙宽度g为0.1mm。

天线的S形枝节1覆盖3.1～3.3GHz低频段，其长度为3.2GHz频率时波长的四分之一，即为17mm。

U形枝节2中，左侧枝节的高度d1取11.9mm时，在电压驻波比小于2的标准下，天线中间频段覆盖所需要的4.2～4.9GHz频段。U形左侧枝节的高度d1对天线电压驻波比有影响，随着d1的增加，中间频段的谐振频率降低，而其他谐振频率变化不大；

U形枝节2的底部与地板的距离d7为0.6mm时，天线在高频段6～10.6GHz覆盖良好，d7影响着天线高频段，随着d7的增加，高频段的谐振频率渐渐分开，调节U形枝节底部与地板的距离d7可以控制高频段的带宽。

i形枝节3中的椭圆贴片的短半轴长度rb影响天线电压驻波比在高频段的带宽。当rb为1.7mm时，天线频带覆盖满足设计。

本实施例的其他参数说明如下：L是天线基板长度为35mm，W是天线基板宽度为23.6mm，Wg是地板5的宽度为10.2mm，Lg是地板的长度为16.8mm，rg是地板边缘切去的四分之一圆的半径为2mm，d2是右侧枝节的高度为8.6mm，d3是S形枝节的宽度为1mm，d4为左侧枝节的宽度为1mm，d5是渐变的宽度为1.1mm，d6是右侧枝节顶部的宽度为2.5mm，d8是渐变的高度为4.4mm，r1是上部和下部半环的内半径为3.4mm，r2是左侧环的内半径为7mm，r3是i形枝节上圆贴片的半径为0.8mm，ra为椭圆的长半轴长度为5.1mm。

图2中的电压驻波比曲线图展示了在电压驻波比小于2的标准下，本仿生物学三频带单极子天线覆盖了3.1～3.3GHz、4.2～4.9GHz和6～10.6GHz频段。

利用该实用新型的柔性介质基板，可将该天线与人体共形，用于人体表面，并且在弯曲状态下依然具有良好的性能，满足人体局域网应用的要求，且具有艺术美感。

不同的辐射枝节是实现多频带天线的关键，由于单极子辐射枝节的长度约为四分之一个波长，如果采用规则形状的单极子辐射枝节，会导致天线尺寸增加，故采用三个不规则形状的单极子辐射枝节。方案中利用不规则的S形、U形和i形辐射枝节，实现了三频带天线的设计，并且天线结构新颖，形似盆景，属于仿生物学天线。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿生物学三频带单极子天线，包括天线辐射单元、共面波导馈电部分及柔性介质基板，所述共面波导馈电部分由50Ω微带线和地板构成，所述50Ω微带线位于地板的中间位置，其特征在于，所述天线辐射单元由S形枝节、U形枝节及i形枝节构成；所述U形枝节由左侧枝节及右侧枝节构成，所述U形枝节的底部与50Ω微带线连接，所述S形枝节由两个半圆环构成，两个半圆环分别为上半圆环及下半圆环，所述下半圆环从U形枝节底部中点沿着右侧枝节方向与U形枝节相切，所述i形枝节加载在U形枝节和S形枝节之间。

2.根据权利要求1所述的一种仿生物学三频带单极子天线，其特征在于，所述上半圆环及下半圆环的半径相同。

3.根据权利要求1所述的一种仿生物学三频带单极子天线，其特征在于，所述i形枝节由椭圆贴片及圆贴片构成，所述圆贴片与椭圆贴片的顶端相连，所述椭圆贴片的底部与U形枝节相切，具体相切位置为：以椭圆贴片垂直地板放置时的中点为原点，逆时针旋转45度沿着右侧枝节方向与U形枝节相切。

4.根据权利要求1所述的一种仿生物学三频带单极子天线，其特征在于，所述右侧枝节为渐宽结构。

5.根据权利要求1所述的一种仿生物学三频带单极子天线，其特征在于，所述天线辐射单元及共面波导馈电部分刻蚀在柔性介质基板的同一侧。

6.根据权利要求1所述的一种仿生物学三频带单极子天线，其特征在于，所述S枝节的长度为17mm，所述U形枝节的左侧枝节高度为11.9mm，所述辐射贴片与地板的距离为0.6mm。

7.根据权利要求3所述的一种仿生物学三频带单极子天线，其特征在于，所述椭圆贴片的短半轴长度具体为1.7mm。