一种双频段双模式可穿戴天线

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1.本实用新型尤其涉及一种双频段双模式可穿戴天线，属于无线通信领域。


背景技术：

2.体域网是以人体为中心，由个人终端、人体或衣物上的传感器和其他组网设备构成，通过无线通信技术进行通信的网络，体域网通信链路根据通信特点一般可分为体内通信、体表通信和体外通信。
3.可穿戴天线是专用于无线体域网通信的关键通信器件，由于可穿戴天线工作场景的特殊性，外部复杂的通信环境会影响它接收电磁波的性能，当进行体表通信，即电磁波为平行于人体表面的爬行波时，需要天线实现全向辐射模式，当进行体外通信，即电磁波为垂直于人体的的散射波时，需要天线具有垂直于体表的定向辐射模式，因此，现有可穿戴天线的单一辐射模式已不能满足无线体域网通信的需求。
4.另外，考虑到电磁波在低频处衍射能力较强，在高频处定向性较好的特点，体表通信需要在低频处传输，体外通信需要在较高频段实现，所以，现有可穿戴天线的单一频段的通信也无法满足无线体域网通信的需求。
5.而且考虑到健康因素，所设计天线的电磁辐射吸收率需要满足国际标准。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中可穿戴天线频段单一和辐射模式单一的问题，本实用新型提供一种双频段双模式可穿戴天线，该天线可以在低频率处产生全向辐射模式，在较高频率时，产生宽边圆极化辐射模式。本实用新型的技术方案如下：
7.一种双频段双模式可穿戴天线，包括介质基板、金属辐射贴片、金属地和馈电柱，所述介质基板的上表面覆有金属辐射贴片，下表面覆有金属地，
8.所述金属辐射贴片包括内部的圆形片和外部的环形片，所述圆形片、环形片与圆形的介质基板同圆心，且圆形片和环形片之间留有间隙；所述馈电柱穿过介质基板将圆形片和金属地连接；
9.还包括四组短路柱，分别为第一、第二、第三和第四短路柱；该四组短路柱顺次沿环形片的圆周等间距对称分布，并且该四组短路柱穿过介质基板将环形片和金属地连接；
10.所述馈电柱位于第一短路柱与第四短路柱的对称轴上；
11.所述圆形片的外缘沿径向对称切除两个矩形，所述环形片的内缘切除一段弧形环。
12.优选地，所述圆形片称切除的两个矩形，其中一个与第一短路柱位置相对应，另一个与第三短路柱位置相对应。
13.优选地，所述矩形径向长度l为4.2mm，垂直于径向宽度w为1.9mm。
14.优选地，所述环形片的内缘切除一个弧形环，该弧形环对应的中心角为135
°
，环径为2mm；切除的弧形环一边与馈电柱位置相对应，另一边与第三短路柱位置相对应。
15.优选地，所述馈电柱与圆心之间间距df为5.7mm；四组短路柱与圆心之间间距dsp均为14.9mm。
16.优选地，所述圆形片的半径r1为7.05mm；弧形片的内径r2为8.25mm；弧形片的外径r4为20.65mm；介质基板的半径rs为28mm；介质基板厚度hs为5mm。
17.优选地，所述介质基板的材质为f4b，介电常数为2.55，损耗角正切为0.002。
18.优选地，所述辐射金属贴片和金属地的材质均为铜。
19.本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：
20.本实用新型提供一种双频段双模式可穿戴天线，在不同频段呈现不同辐射模式，并且在定向模式下实现了圆极化效果，其中加载短路柱的环形片可以在2.45ghz时谐振，产生全向辐射模式；圆形片的结构设计，引入扰动，可以实现5.8ghz时谐振，产生宽边圆极化辐射模式。
21.本实用新型的可穿戴天线，尺寸较小且结构简单，易于加工。
22.本实用新型的可穿戴天线，性能受人体组织影响较小，且天线的电磁辐射吸收率较低。
附图说明：
23.图1为实施例中双频段双模式可穿戴天线的俯视结构图；
24.图2为实施例中双频双模式可穿戴天线的侧视结构图；
25.图3为天线工作在自由空间和人体组织上方5mm时仿真的反射系数图；
26.图4为天线工作在自由空间时仿真的轴比图；
27.图5为实施例中天线在2.45ghz处xoy面的方向图；
28.图6为实施例中天线在2.45ghz处yoz面的方向图；
29.图7为实施例中天线5.8ghz处xoz面的方向图；
30.图8为实施例中天线5.8ghz处yoz面的方向图；
31.其中，m0-馈电柱；m1-第一短路柱；m2-第二短路柱；m3-第三短路柱；m4-第四短路柱。
具体实施方式：
32.实施例一：
33.本实施例的一种双频段双模式可穿戴天线，如图1和图2所示，该天线在低频率处谐振，产生全向辐射模式，在较高频率谐振，产生宽边圆极化辐射模式，并且保证天线不易受人体组织影响，保持电磁辐射吸收率满足国内外标准。本例的双频段双模式可穿戴天线包括介质基板、金属辐射贴片、金属地和馈电柱m0，本例中介质基板的材质为f4b，介电常数为2.55，损耗角正切为0.002；辐射金属贴片和金属地的材质均为铜。介质基板的上表面覆有金属辐射贴片，下表面覆有金属地，金属辐射贴片包括内部的圆形片和外部的环形片，圆形片、环形片与圆形的介质基板同圆心，且圆形片和环形片之间留有间隙；馈电柱m0穿过介质基板将圆形片和金属地连接；
34.还包括四组短路柱，分别为第一短路柱m1、第二短路柱m2、第三短路柱m3和第四短路柱m4；该四组短路柱顺次沿环形片的圆周等间距对称分布，并且该四组短路柱穿过介质
基板将环形片和金属地连接；
35.馈电柱m0位于第一短路柱m1与第四短路柱m4的对称轴上，馈电柱m0与第一短路柱m1相对于圆形的夹角α为45
°
。
36.圆形片的外缘沿径向对称切除两个矩形(近似矩形，视为矩形)，其中一个矩形与第一短路柱m1位置相对应，另一个矩形与第三短路柱m3位置相对应；圆形片偏离中心馈电实现定向圆极化辐射模式。
37.环形片的内缘切除一个弧形环，该弧形环对应的中心角为135
°
，环径为2mm；切除的弧形环一边与馈电柱m0位置相对应，另一边与第三短路柱m3位置相对应。加载短路柱的环形片用于激发全向辐射单极子模式。另外，通过切去环形片的弧形环以保证宽边辐射模式的最大辐射方向指向正z轴。
38.实施例二：
39.本实施例的进一步可选设计在于：馈电柱与圆心之间间距df为5.7mm；四组短路柱与圆心之间间距dsp均为14.9mm；圆形片的半径r1为7.05mm；弧形片的内径r2为8.25mm；弧形片的外径r4为20.65mm；介质基板的半径rs为28mm；介质基板厚度hs为5mm；矩形的径向长度l为4.2mm，垂直于径向的宽度w为1.9mm；圆心到环形片上切除弧形环一侧边缘的距离r3为10.25mm；馈电柱对应圆形片和介质基板的开孔半径为0.6mm；馈电柱对应金属地的开孔半径为2.5mm；四组短路柱的穿设通孔孔径d为1.6mm。
40.实施例三：
41.本实施例采用实施例二的双频段双模式可穿戴天线进行仿真模拟，通过cst仿真软件获取该天线在2.45ghz与5.8ghz这两个频段下工作在自由空间和人体组织上方5mm时的反射系数、在自由空间中的轴比和方向图，仿真结果如下：
42.如图3可知，当天线工作在自由空间时，阻抗匹配良好，在2.45ghz和5.8ghz均阻抗匹配，实现了双频段工作，当放置在人体组织上方5mm仿真时，天线在低频处匹配变差，但在2.45ghz和5.8ghz处依然可以正常工作，这表明天线性能不易受人体组织影响。
43.如图4可知，在5.725ghz-5.875ghz的目标频段内，天线的轴比小于3db，实现了圆极化效果。
44.如图5和图6可知，天线在xoy面表现出良好的全向性，符合体表通信的要求；
45.如图7和图8可知，天线向正z方向辐射，实现的是定向辐射模式，也满足体外通信的需求。
46.本例还通过cst仿真软件得到天线对人体的电磁辐射吸收率，建立三层人体组织模型，把天线放置在人体组织上方5mm处，当输入功率为0.5w时，仿真得到的sar值结果如表1所示。
47.表1 sar值仿真结果
[0048][0049]
由表1可知，在1g标准下，天线在2.45ghz和5.8ghz时的电磁吸收率分别是1.28w/kg和0.65w/kg，低于1.6w/kg的标准；在10g标准下，电磁吸收率在2.45ghz与5.8ghz时分别为1.02w/kg和0.30w/kg，也低于2.0w/kg的标准。