一种用于物联网的手提包拉链天线的制作方法

本发明涉及天线
技术领域：
，特别涉及一种用于物联网的手提包拉链天线。
背景技术：
：现有技术中，常见的无线系统包括雷达、通信、导航等，其天线通常是金属材质，或金属与固体介质的混合结构。在可穿戴领域，国内外近年来相关天线实现途径主要包括以下几方面：一、含银纳米线的小型化平面天线，首先使用模板将银纳米线排列为特定的图案，然后铺上一层液体聚合物，待聚合物凝固后，形成包含预期图案的弹性材料，该图案材料能构成带贴片天线的辐射组件，通过调整其形状，控制天线工作频率。由于其天线设计实现并未使用常见的金属，而是定制化材料，因此，加工制作工艺复杂，成本较高。二、使用金属钮扣或金属皮带扣天线。尺寸小，具有一定的辐射能力，对于波长较短、频率较高的系统，其电尺寸才有优势。特别是纽扣天线，只能有效辐射频率较高的信号。但是该天线物理尺寸小，电尺寸受限，辐射方向性较弱，辐射和接收无线电能量不够集中。三、设计金属材料的变形振子天线、环天线等，尺寸很小，嵌入到系统中，跟目前主流的手机天线类似，通常比手机天线尺寸更小。缺点和纽扣天线类似。技术实现要素：本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种用于物联网的手提包拉链天线，解决了现有技术中存在的缺陷。为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：一种用于物联网的手提包拉链天线，包括：手提包、拉链和馈电装置；手提包的开口处设置拉链，拉链包括两端的终止片、中间的若干链牙和拉手；馈电装置设置在终止片之下与终止片接触，或者设置在链牙之下或侧面与链牙接触；所述拉链的材料为金属。进一步地，馈电装置包括：金属接地板、介质基板和馈电探针；金属接地板之上为介质基板，馈电探针竖立设置在介质基板中心，馈电探针一端贯穿介质基板与金属接地板连接，馈电探针7另一端与拉链的终止片或链牙连接。作为优选，拉链长度385mm，链牙长度4.5mm，链牙宽度1.0mm，馈电位置距离拉链左边终止片外缘34.5mm，馈电探针长度5.8mm，馈电探针直径0.8mm，馈电基板20mm×20mm×1.6mm。与现有技术相比，本发明的优点在于：成本低，不需要人身上额外的安装空间，结构牢固，不需要担心脱落等问题。通过改变馈电位置等方法，天线可调谐工作于不同的频段；根据拉开程度的不同，可以获得具有一定灵活性的辐射方向特性和增益，具备一定的可重构性。可应用在包括：体域网、物联网、智能家居电气设备控制和智慧城市、环境监测、无线能量收集、无线通信、导航定位等多种领域中，实用度广泛。附图说明图1是本发明实施例拉链天线的结构示意图；图2是本发明实施例拉链天线的侧面结构示意图；图3是本发明实施例馈电装置的结构示意图；图4是本发明实施例不同的馈电位置对应的反射系数(x轴方向)图；图5是本发明实施例反射系数随馈电位置的变化(z轴方向)图；图6是本发明实施例手提包拉链天线的辐射效率和总效率曲线图；图7是本发明实施例手提包拉链天线二维极坐标方向图；图8是本发明实施例拉链处于不同拉开状态下的天线方向图；图9是本发明实施例手提包拉链天线对应于不同链齿长度的辐射方向图；图10是本发明实施例天线反射系数随链齿宽度的变化曲线图；图11是本发明实施例手提包拉链天线对应于不同馈电位置的增益曲线图；图12是本发明实施例天线增益随拉链链齿长度的变化曲线图；图13是本发明实施例人体对手提包拉链天线辐射方向图的影响；图14是本发明实施例仿真和实测的s11比较图；图15是本发明实施例手提包拉链天线仿真和实测方向(@2.44ghz)比较图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。如图1至3所示，一种用于物联网的手提包拉链天线，包括：手提包、拉链和馈电装置1；手提包的开口处设置拉链，拉链包括两端的终止片2、中间的若干链牙3和拉手4；馈电装置1设置在终止片2之下与终止片2接触，或者设置在链牙3之下或侧面与链牙3接触；馈电装置1包括：金属接地板5、介质基板6和馈电探针7；金属接地板5之上为介质基板6，馈电探针7竖立设置在介质基板6中心，馈电探针7一端贯穿介质基板6与金属接地板5连接，馈电探针7另一端与拉链的终止片2或链牙3连接。一组性能指标较好的参数：拉链长度385mm，链牙长度4.5mm，链牙宽度1.0mm，馈电位置距离拉链左边34.5mm，馈电探针长度5.8mm，馈电探针直径0.8mm，馈电基板20mm×20mm×1.6mm。为了研究手提包天线的性能，使用了cst微波工作室进行仿真，在此基础上分析了多个参数的影响。探针和拉链链牙不同的连接方式可能会引起反射系数的变化，如图4所示，这里的几种连接分别是链牙的侧面或底部，接触的松紧程度不同。在图中所示三种情况下，都可以找到一定的可用频段。例如，从链牙侧面松散连接可以得到三个工作频段，中心频率分别是1.20ghz，1.58ghz和2.15ghz。事实上，探针的具体坐标将影响天线的回波损耗。图7的4组反射系数分别对应着右边链牙1.75mm，2.75mm和3.75mm及左边1.75mm的馈电位置。从图中可以看到，当探针从链带中间向外侧移动时，天线的匹配性能越来越差。从计算结果来看，天线获得的最佳工作频段是2.37ghz-2.49ghz，中心频点在2.44ghz，带宽120mhz，相对带宽4.92％。如图6所示，手提包拉链天线的辐射效率和总效率。其中，总效率的最低值是2.90ghz处的97.0％，而辐射效率的最高数值为2.70ghz处的97.4％。表1给出了天线在2.0ghz-3.0ghz之间的具体效率数据。可以看出天线的总效率在频段内尽管有起伏，但是其效率能够满足正常的通信要求。表1手提包拉链天线效率当馈电位置沿着x轴移动时，辐射方向图将发生变化。图7提供了手提包拉链天线在2.44ghz处的二维极坐标方向图，馈电位置分别对应x＝34.5mm,93mm和192mm。图7(a)是水平极化方向图的xoz平面(即phi＝0°，theta从0°扫描到360°)，图7(b)是垂直极化方向图的yox平面(即theta＝90°，phi从0°扫描到360°)。根据天线结构，xoz平面内是对称的，而其他平面内有显著的方向性。图8给出了拉链被拉开不同程度的辐射方向图((a)xoz平面，(b)yox平面)，包括拉链闭合(@2.41ghz)，拉开四分之一(@2.35ghz)及拉开一半(@2.48ghz)等三种情况。在xoz平面内，三者差别不大。而在yox平面内，如图中所示，最大辐射方向有所变化。这主要是由于拉链拉开之后，天线结构发生了变化。实际上，被拉开的链齿将作为仍闭合的链齿的引向器而发挥作用。为了分析各种参数对天线性能的影响，进一步研究了拉链链齿长度的影响。图9给出了链齿长度分别为3.0mm，4.5mm和6.0mm时相应的辐射方向图，各尺寸对应的中心频率分别为2.29ghz，2.44ghz和2.53ghz。可见，天线的增益随着链齿长度的增加而呈现小幅上涨，这主要归因于电尺寸的缓慢增大。以图9(b)所示为例，上述三种链齿长度所对应的增益分别为4.72db，4.74db和5.79db(分别在82°，74°和70°)。与此同时，反射系数也会随着链齿长度的变化而变化。图10给出了仿真结果。从图中曲线可见，无论链齿长度从4.5mm缩短为3.0mm还是延长到6.0mm，谐振频率都会升高。另一方面，链齿宽度也会影响拉链天线的电压驻波比，如图11所示。图中设置的三种链齿宽度都得到了2.0ghz-2.6ghz频率范围内的两个谐振点。当宽度从1.0mm增加到1.5mm时，谐振频率从2.16ghz和2.44ghz升高为2.19ghz和2.47ghz。而当宽度从1.0mm减小为0.5mm时，谐振频率降低到2.15ghz和2.42ghz。图12给出了手提包拉链天线的增益随馈电位置的改变而发生的变化，包括馈电探针靠近左边的终止端、在左边的四分之一处和在拉链的中央等三种情况。如图13所示，接下来分析拉链链齿长度对天线增益的影响。计算结果表明，天线增益并不是随链齿尺寸而单调变化，而取决于链齿尺寸跟波长的相对关系。拉链链齿宽度天线增益的影响，如表3所示。当链齿宽度从0.5mm增大为1.0mm和1.5mm时(分别对应于2.33ghz，2.28ghz和2.46ghz)，增益并没有很大的变化。这表明该参数对天线增益的影响很有限。表3手提包拉链天线增益随链齿宽度的变化链齿宽度(mm)水平极化增益(dbi)垂直极化增益(dbi)0.52.445.121.03.254.751.53.924.46图14展示了人体对手提包天线辐射方向图的影响，给出了人体存在或不存在两种情况下的对比。频率为2.40ghz处的仿真结果表明，人体对天线性能的影响可以察觉到，但不明显。两种情况下的主瓣内可以观察到接近1db的差异。另外的切面上有类似的情况。进一步观察发现，主要辐射方向和零点的位置以及方向图大致的起伏情况，保持了很高的相似度。而对于回波损耗和天线的匹配性能，人体存在与否，其影响更小，这主要是因为人体与天线本身并无接触。另一方面，人体与手提包之间的距离，也对于天线匹配性能的保持有益。人体的运动将带来天线位置的变化。然而，由于天线具有比较宽的辐射主瓣，增益在较宽的角度范围内具有良好的适应性，因而运动对于通信和互联的影响是可接受的。为验证前面的设计和仿真，制作了一个手提包拉链天线进行测试。这里使用sma接头进行馈电，使用fr-4微波介质基板(介电常数4.3)，尺寸为20mm×20mm。这个尺寸很小，仅比微波接头略大，契合便携式应用风格。当然，实际系统可以设计更为紧凑的馈电结构。为了测量反射系数，使用了anritsu37369a矢量网络分析仪在微波暗室内获得s11参数图15给出了2.44ghz仿真和实测方向图的对比，对应的是拉链完全闭合的情况。垂直面内(yox面视角)天线方向图主瓣指向对于实测和仿真两种情况是相似的，但前者副瓣较少，背瓣也小一些。主要辐射方向大约出现在地面上方20°附近，这主要是由于手提包下部各组件的影响。对于图15(b)所示的水平面(xoz面视角)，两条方向图曲线是相似的，在大部分方向上并无数值上的较大差异，只是实测的方向图主瓣比仿真的窄一些。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3