本发明涉及人体通信技术领域，具体涉及一种用于人体通信的方向图可重构天线。
背景技术：
近年来，无线通信技术在军事、医疗、人体通信和个人娱乐等领域受到了越来越多的关注，以人体为中心的可穿戴天线也成为了研究的热点。人体中心通信是一种新型的通信方式，用作通信的设备或安放在人体表面，或植入人体。在设备之间进行通信时，信号的传递会受到人体组织的影响，因此用作通信的天线需要特别设计。在人体通信系统中，被布置在人体上或者人体内的所有终端设备之间的通信链路可分为三类，其中包括体表通信链路和体外通信链路。体表通信链路描述的是安放在人体表面设备之间的通信通道，而体外链路指的是人体表面的可穿戴设备与其周围较远处用于传输信号的基站单元或者移动设备之间的信号连接。
根据天线的方向函数在各种坐标系中绘出的表征天线方向特性的图称为天线的方向图。表征场强辐射方向特性的图称为场强辐射方向图，表征功率方向特性的图称为功率方向图，表征相位方向特性的图称为相位方向图，表征极化方向特性的称为极化方向图。通常使用的功率方向图或场强方向图。天线的方向图是一个三维图形，为了方便，场采用两个相互正交的主平面上的剖面图来描述天线的方向性，通常取e平面(电场矢量与传播方向构成的平面)和h平面(磁场矢量与传播方向构成的平面)作为两个正交的主平面。在三维坐标系中将天线所在的平面定义为xoy平面，所述e平面是指平行于电场方向的方向平面xoz平面或者yoz平面。所述h平面是指平行于磁场方向的方向平面，指xoy平面。
现有的人体通信可穿戴设备及其技术问题如下：1.一种用于体上/体外通信的可重构波束控制天线，利用天线的可重构性来改变天线辐射方向图并提高所需方向的方向性，但它仅利用倾斜波束来实现体表通信链路。2.一种以人体为中心的双端口双频天线来实现天线的体表/体外通信，然而该天线并不能实现在同一频率下的体表和体外通信模式的相互转换。3.利用在天线中引入缝隙的办法实现人体通信，然而当该天线的缝隙增大时天线体积就会增大，并不适合在人体附近工作。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明通过二极管的通断实现全向辐射方向图以及定向辐射方向图的转换，从而可以实现在人体通信中体表通信和体外通信模式的转换。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种用于人体通信的方向图可重构天线，包括：pcb基板；接地板，贴附于所述pcb基板下表面；以及圆形金属贴片，贴附于所述pcb基板上表面；所述圆形金属贴片包括环形贴片以及中心贴片，所述环形贴片通过二极管与所述中心贴片连接；所述环形贴片通过短路柱与所述接地板连接；所述中心贴片上设置馈电柱，所述馈电柱穿过所述pcb基板以及所述接地板与馈电柱连接，所述馈电柱的馈点偏离所述中心贴片的圆心。
进一步地，所述环形贴片和所述中心贴片被环形缝隙隔开。
进一步地，所述短路柱的数量为九个，等角度均匀分布在所述环形贴片上。
进一步地，每个所述短路柱的中心到所述圆形金属贴片的圆心的距离相同。
进一步地，所述二极管六个，等角度均匀分布在所述环形裂缝内。
进一步地，所述接地板、所述短路柱以及所述馈电柱为导电材料。
进一步地，所述pcb基板为rogers-4350b介质基板，所述pcb基板的厚度为60±1mil。
进一步地，所述二极管为mp1340-079lf二极管。
进一步地，所述转接头为sma转接头。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的一种用于人体通信的方向图可重构天线，可通过二极管的通断实现同一工作频率下人体通信中体表通信和体外通信转换。
(2)本发明的一种用于人体通信的方向图可重构天线，所述环形金属贴片上短路柱具有9个，可以影响电流流经的路径，减小天线的输入阻抗，可以最大程度的扩大辐射角度，实现全辐射。
(3)本发明的一种用于人体通信的方向图可重构天线，具有较好的阻抗匹配、增益和辐射性能，同时本发明结构简单、体积较小、便于携带与集成、易于加工。有利于集成于衣物当中，在军事、医疗方面都有较大的实用价值。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线结构图；
图2所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线在馈电柱直径处的剖视图；
图3所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线实物俯视图；
图4所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线实物仰视图；
图5所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线的tm01模式的电流分布图；
图6所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线的tm11模式的电流分布图；
图7所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线实物尺寸标注图；
图8所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线实物测试示意框图；
图9所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线实物测试连接图；
图10所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线在定向辐射模式下模拟和测量的s参数曲线图；
图11所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线在全向辐射模式下模拟和测量的s参数曲线图；
图12所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线在体外模式下(a)h面和(b)e面模拟和测量的归一化辐射方向图；
图13所示为本发明一实施例的用于人体通信的方向图可重构天线在体表模式下(a)h面和(b)e面模拟和测量的归一化辐射方向图。
图中附图标记
1-pcb基板、2-接地板、3-圆形金属贴片、31-环形贴片、32-中心贴片、33-二极管、34-短路柱、35-馈电柱、36-环形缝隙、4-转接头。
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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图2所示，本发明实施例提供一种用于人体通信的方向图可重构天线，包括pcb基板1、接地板2以及圆形金属贴片3。
所述pcb基板1为rogers-4350b介质基板，所述pcb基板1的厚度为60±1mil。所述rogers4350b是美国罗斯杰进口板材的一种，是一种特殊板材，主要应用于高频线路板制作。
所述接地板2贴附于所述pcb基板1下表面。所述接地板2为导电材料，优选金属铜。
所述圆形金属贴片3贴附于所述pcb基板1上表面。所述圆形金属贴片3被环形缝隙36分为环形贴片31以及中心贴片32。
所述环形贴片31通过二极管33与所述中心贴片32连接。所述二极管33至少六个，等角度均匀分布在所述环形裂缝36内，所述二极管33的数量优选6个。所述二极管33为mp1340-079lf二极管。
所述环形贴片31通过短路柱34与所述接地板2连接。所述短路柱34，所述短路柱34的数量优选九个，等角度均匀分布在所述环形贴片31上。所述短路柱34用来提高天线的阻抗匹配，且所述短路柱34为所述二极管33上的直流偏压电源创造了条件。优选每个所述短路柱34的中心到所述圆形金属贴片3的圆心的距离相同。
所述中心贴片32上设置馈电柱35，所述馈电柱35穿过所述pcb基板1以及所述接地板2与所述转接头4连接，所述馈电柱35的中心为所述圆形金属贴片3的圆心，所述馈电柱35垂直于所述pcb基板1，所述馈电柱35的馈点偏离所述中心贴片32的圆心。所述转接头4为sma转接头。
所述接地板2、所述短路柱34以及所述馈电柱35为导电材料。
本实施例用于人体通信的方向图可重构天线采用同轴馈电方式工作。所述同轴馈电又称为背馈，是一种用的较多的馈电方式。采用同轴馈电具有如下优点：同轴电缆置于接地板的下方，和天线贴片单位位于接地板的两侧，减少了同轴馈电方式对天线辐射性能影响；由于馈点位置可以根据需要进行选择，因此不需要如同微带线馈电方式那样附加阻抗匹配网络，这样可以减少天线的尺寸，馈电原理简单。当所述二极管接通时，所述可重构天线可以被看作是一个中心馈电的圆形金属贴片天线，同轴馈电在所述圆形金属贴片3圆心馈电时，所述可重构天线的tm01模式(如图5所示)将被激发并且产生全向辐射方向图，因此，所述可重构天线可以工作在人体表面。当所述二极管断开时，只有所述环形缝隙36内较小的所述中心贴片32工作，所述馈电柱35的馈电点不在所述中心贴片32的圆心，则可以激发tm11模式(如图6所示)，所述可重构天线的tm11模式会产生定向辐射方向图，因此，所述可重构天线可以工作在人体外链路。因此，通过控制所述二极管33上的直流电压，所述可重构天线可以在体表和体外通信模式之间进行转换。
对所述用于人体通信的方向图可重构天线进行测试前首先要对线的方向图、输入阻抗、工作中心频率、尺寸大小、求解方式等进行预先估算，之后进行仿真，实物制作。将所述用于人体通信的方向图可重构天线放置在一个模拟人体结构(如：一块猪肉)上方进行仿真。如图7所示，用于测试的所述可重构天线尺寸如下表1所示。
表.1可重构天线尺寸
如图8～图9所示，为了尽可能模拟人体电磁环境，测量时将用于测量的所述可重构天线放置在一块猪肉上，将偏压器(zx85-12g-s )连接到所述可重构天线的直流电压偏置，以确保直流偏压仅在两个管脚二极管上施加，同时也避免了其对天线性能的影响，最后在网络分析仪上观察测量结果。
如图10～图11所示，从此结果可以看出，实物的测量结果与模拟结果基本吻合。当天线工作在体外模式时，天线在2432到2468mhz的频率范围内测量的s11低于-10db，而在体表模式下，测量的-10db回波损耗带宽为2428到2462mhz。
如图12所示，从图中可以看出，天线的最大辐射方向指向正z方向，天线的前后比大于15db，因此，天线可以提供体外模式下的定向辐射方向图。天线测量的最大增益为6dbi，而模拟的最大增益为6.4dbi，稍微有一点误差，这些误差有可能与实物制作或者焊接过程中的误差有关，但对整个天线的性能影响不大。
如图13所示，从图中可以看出，天线在h平面上的辐射比较均匀，可以产生全向辐射方向图，测量的最大增益为-2.5dbi，而模拟的最大增益为-2dbi。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.一种用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，包括：
pcb基板(1)；
接地板(2)，贴附于所述pcb基板(1)下表面；以及
圆形金属贴片(3)，贴附于所述pcb基板(1)上表面；所述圆形金属贴片(3)包括环形贴片(31)以及中心贴片(32)，所述环形贴片(31)通过二极管(33)与所述中心贴片(32)连接；所述环形贴片(31)通过短路柱(34)与所述接地板(2)连接；所述中心贴片(32)上设置馈电柱(35)，所述馈电柱(35)穿过所述pcb基板(1)以及所述接地板(2)与转接头(4)连接，所述馈电柱(35)的馈点偏离所述中心贴片(32)的圆心。
2.根据权利要求1所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，所述环形贴片(31)和所述中心贴片(32)被环形缝隙(36)隔开。
3.根据权利要求2所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，所述短路柱(34)的数量为九个，等角度均匀分布在所述环形贴片(31)上。
4.根据权利要求3所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，每个所述短路柱(34)的中心到所述圆形金属贴片(3)的圆心的距离相同。
5.根据权利要求2所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，所述二极管(33)六个，等角度均匀分布在所述环形裂缝(36)内。
6.根据权利要求1所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，所述接地板(2)、所述短路柱(34)以及所述馈电柱(35)为导电材料。
7.根据权利要求1所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，所述pcb基板(1)为rogers-4350b介质基板，所述pcb基板(1)的厚度为60±1mil。
8.根据权利要求1所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，所述二极管(33)为mp1340-079lf二极管。
9.根据权利要求1所述的用于人体通信的方向图可重构天线，其特征在于，所述转接头(4)为sma转接头。
技术总结