一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线及穿戴式设备

1.本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线及穿戴式设备。


背景技术：

2.近几年，以人体为中心的天线，成为国内外的研究热点，以人体为中心的天线包括植入到人体体内的应用和穿戴在人体体表的应用。其中，可穿戴天线的主要应用有运动手环、智能手表、vr设备，除此，还可以应用于监测人体的生理特征，实现远程医疗、实时采集人体生理信息，构建人类健康数据库。
3.天线是无线网络中接受和发送信息必不可少的元件，对于应用于人体体域网的通信，穿戴式天线也是必不可少的一部分。天线搭载在人体不同位置时，会产生弯曲、皱缩等多种情况，从而使天线的谐振频率发生变化。而且，人体不同的运动、姿势也会带来极化失配的问题。因此穿戴式天线的设计要求带宽宽、圆极化、性能稳定。目前关于宽带圆极化穿戴式天线的研究还比较少，主要是因为低剖面的要求使得传统的宽带圆极化技术无法适用于可穿戴应用。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线及穿戴式设备。
5.本发明有效利用旋转馈电技术和贴片单元间的互耦效应，可以增强带宽，降低剖面。以全织物为材料制成的穿戴式天线能很好地与衣物共形，且稳定性高、成本低。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线，包括层叠放置的上层介质基板、中层介质基板及下层介质基板，所述上层介质基板的一面设置辐射单元，其另一面设置耦合缝隙单元，所述中层介质基板与下层介质基板之间设置带状线馈线单元，下层介质基板的另一面设置地板。
8.进一步，所述辐射单元由2
×
2个阵列排布的方形贴片构成。
9.进一步，所述耦合缝隙单元包括四条缝隙，四条缝隙依次以上层介质基板中心点为圆心，逆时针或顺时针旋转90度。
10.进一步，所述带状线馈线单元为一分四的功分器，用于将输入信号等幅分配给四个输出端口，各输出端口的相位幅度相等，相位相差90度，电磁波通过输出端口上方的耦合缝隙耦合到辐射单元，形成圆极化定向辐射。
11.进一步，所述四条缝隙结构尺寸均相同，具体为矩形缝隙。
12.进一步，所述地板开有四个相互对称的弧形缝隙。
13.进一步，所述中层介质基板及下层介质基板的尺寸结构相同。
14.进一步，上、中、下三层介质基板由相同材料制备。
15.进一步，还包括馈源，所述馈源为sma连接头，其内芯连接与带状线馈线单元连接，外芯与耦合缝隙单元和地板连接。
16.一种穿戴式设备，包括所述的宽带圆极化阵列天线。
17.本发明的有益效果：
18.本发明提出一种紧耦合阵列结构，利用紧凑贴片天线单元间的互耦效应可以增加谐振点，该谐振点与贴片的主模谐振相互靠近，辅以顺序相位馈电网络，可达到扩展圆极化带宽的效果,同时降低了天线的整体尺寸并实现了单向辐射。
19.本发明提出了一种下地板开槽的带状线馈线结构，提高了馈电网络的耦合效率，降低了馈线带来的背向辐射。天线阻抗带宽和轴比带宽主要覆盖5ghz频段，且留有较大的冗余。可在各种情况下，保持良好的工作性，适合可穿戴应用。
附图说明
20.图1、图2及图3分别是本发明一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线的俯视图、正视图及侧视图；
21.图4是本发明的耦合缝隙结构示意图；
22.图5是本发明的带状线馈线结构示意图；
23.图6是本发明的地板结构示意图；
24.图7是本发明在在三层人体组织模型和不同人体布为中的输入端反射系数仿真、实测结果图；
25.图8是本发明在沿不同轴线弯曲的输入端反射系数仿真图；
26.图9是本发明在人体组织模型和猪肉实体上的轴比、增益结果图；
27.图10是本发明在各个频率的轴比波束宽度图；
28.图11(a)是本发明在分别沿x、y轴弯曲情况下的反射系数仿真图；
29.图11(b)是本发明在分别沿x、y轴弯曲情况下的增益与轴比仿真图；
30.图12(a)～图12(b)是本发明在频率为5ghz时的仿真和实测辐射方向图，包含右旋圆极化(rhcp)和左旋圆极化(lhcp)曲线。
31.图12(c)～图12(d)是本发明在频率为5.5ghz时的仿真和实测辐射方向图，包含右旋圆极化(rhcp)和左旋圆极化(lhcp)曲线。
32.图12(e)～图12(f)是本发明在频率为5.9ghz时的仿真和实测辐射方向图，包含右旋圆极化(rhcp)和左旋圆极化(lhcp)曲线。
具体实施方式
33.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
34.实施例1
35.本实施例中提到的一面及另一面均为相对面，可以根据实际需要选择每一面的印制结构，在本实施例中，一面为上表面，另一面为下表面。
36.如图1、图2及图3所示，一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线，包括层叠设置的上层介质基板1a、中层介质基板1b及下层介质基板1c，所述上层介质基板1a的上表面设
置辐射单元1，其下表面设置耦合缝隙单元2，所述中层介质基板1b与下层介质基板1c之间设置带状线馈线单元3，具体带状线馈线单元3设置在中层介质基板1b的下表面，所述下层介质基板1c的下表面设置地板4，所述天线放在三层人体组织模型上进行仿真。
37.进一步，所述辐射单元是由2
×
2个阵列排布的方形贴片构成，所述方形具体正方形，所述正方形的边长为19mm，此边长与频率相关，约为工作频率下的二分之一波导波长。贴片之间间距为2mm，远小于传统阵列常用的二分之一波长，目的是激发耦合模式。
38.辐射单元的阵列形式及贴片形状可以根据实际需要进行调整。
39.如图2及图3所示，中层介质基板和下层介质基板的结构和尺寸均相同，均为边长为40mm、厚度为1mm的长方体外接一个上底为10mm，下底为5mm，高为5mm，厚度为1mm的梯形体，以便射频连接头焊接。所述上层介质基板在z轴的投影面边长为40mm，厚度为2mm的长方体。所有介质基板的材料均为毛毡，相对介电常数为1.2，介质损耗为0.02。
40.所述辐射单元1、耦合缝隙单元2、带状线馈线单元3、地板4采用导电尼龙布织物，该织物厚度为0.13毫米，其表面电阻率小于0.009ω/sq.。
41.如图4所示，所述耦合缝隙单元位于辐射单元的正下方，且其中心与辐射单元的中心点一致。所述耦合缝隙单元包括四条缝隙，该四条缝隙以中心点为圆点，顺序旋转。本实施例1中四条缝隙分别位于上层介质基板下表面的四个象限内，以右上象限为第一象限，则第一象限内的缝隙为竖直放置，则第二、第三、第四象限内的缝隙依次旋转90度设置，旋转方式包括顺时针和逆时针。缝隙具体为矩形缝隙，长和宽分别为13.5mm、1.5mm。该缝隙长度取值约为工作频率下的四分之一波导波长，宽度主要影响阻抗匹配效果。
42.如图5所示，所述带状线馈线单元包括一个“？”形输入枝节和四个输出枝节，四个输出枝节等比例分布在输入枝节上，输出枝节末端为扇形贴片，用来提升阻抗匹配。
43.本实施例中带状线馈线单元具体为一分四的功分器，用来将输入信号等幅分配给四个输出端口，各输出端口的相位依次是0
°
、90
°
、180
°
、270
°
。电磁波通过输出端口上方的缝隙耦合到最上层辐射贴片，从而形成圆极化定向辐射。该结构具有对称性，可以根据实际需要沿y轴翻转，实现左旋或右旋圆极化。
44.如图6所述，所述地板为带状线结构的下地板，地板上开有四个相互对称的弧形缝隙，四个弧形缝隙在同一个圆上，此设计旨在解决当天线工作在人体附近时，传统微带馈线结构与人体组织耦合过大的问题。所述结构提升了馈电的耦合效率，减小了背向辐射。
45.进一步，还包括馈源5，所述馈源为sma连接头，其内芯焊接于带状线馈线3上，外芯与耦合缝隙2和地板4相连。所述sma内芯直径为1mm，填充材料为特氟龙。
46.所述天线放置到三层人体组织模型上进行仿真，所述三层人体组织模型为长方体结构，如图3所示，从上至下依次为皮肤、脂肪、肌肉层，其相对介电常数、电导率等电磁参数因频率的变化而不同。
47.如图7所示，皮肤、脂肪、肌肉层的厚度分别为2mm、10mm、20mm，边长均为100mm。所述天线距皮肤表面1mm，天线与模型四周的距离均为30mm。当频率为5ghz，皮肤、脂肪、肌肉层处的相对介电常数分别为35.774、5.029、49.54，电导率分别3.06s/m、0.24s/m、4.0448s/m；当频率为5.5ghz，皮肤、脂肪、肌肉层处的相对介电常数分别35.363、4.9825、48.883，电导率分别为3.4631s/m、0.274s/m、4.609s/m。
48.如图8所示，所述天线放置在三层人体组织模型上仿真，放在人体不同部位测量，
反射系数|s
11
|小于-10db的频率范围为4.25-6.63ghz(2380mhz)，覆盖了wlan中5ghz频段，相对带宽达到了43％。
49.如图9所示，所述天线放置在三层人体组织模型上仿真，放在猪肉上测量，轴比小于3db的频率范围为4.71-6.67ghz(1960mhz)，相对带宽达到了34％。平均增益约为7dbi。
50.如图10所示，所述天线放置在三层人体组织模型上仿真，放在猪肉上测量，轴比小于3db的波束宽度平均约为60
°
。
51.如图11(a)所示，所述天线在沿x轴、y轴弯折情况下，反射系数在宽频带内保持在-10db以下，性能保持良好。
52.如图11(b)所示，所述天线在沿x轴、y轴弯折情况下，增益与轴比性能基本保持稳定，证明了所述天线在与人体共形、形变下的鲁棒性。
53.如图12(a)～图12(b)、图12(c)～图12(d)、图12(e)～图12(f)所示，分别为天线放置在三层人体组织模型上仿真，放在猪肉上测量，在5.1ghz、5.5ghz和5.9ghz三个频点处xoz和yoz平面的辐射方向图。天线辐射右旋圆极化波，且在主辐射方向上的交叉极化比约为20db，半功率波束宽度在5.1ghz、5.5ghz和5.9ghz分别为68
°
、64
°
、60
°
。
54.实施例2
55.一种穿戴式设备，包括如实施例1所述的一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线线，所述一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线包括层叠放置的上层介质基板、中层介质基板及下层介质基板，所述上层介质基板的一面设置辐射单元，其另一面设置耦合缝隙单元，所述中层介质基板与下层介质基板之间设置带状线馈线单元，下层介质基板的另一面设置地板。
56.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。