本实用新型涉及天线技术领域，尤其是涉及一种应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线。
背景技术：
随着移动通信的快速发展和移动用户的快速增长，智能天线已被广泛认为是提高通信质量和频谱利用率的关键技术。可穿戴天线在医疗、军事等领域都有着巨大的应用价值。在医疗方面，可以把天线、传感器和医疗设备一起放置在人体身上，通过天线把检测到的数据传送到网络终端，以便医生可以实时监测病人身体状态；在军事领域，可将天线放置在士兵头盔或者背部，便于接收发送信号。除此之外，可穿戴天线在消防队员、运动员身上也能得到应用。因此可穿戴天线系统研发得到了学术界以及工业界的广泛关注。智能天线阵列可以产生空间定向波束，并可以自适应地将无线电信号引导到用户方向，而旁瓣和零点指向其他可能的干扰信号。
因此将智能与可穿戴相结合具有重要意义，现有智能手表天线辐射模式单一，不具有波束扫描的功能，并且很少考虑智能手表内部电子元件是否会对天线的性能造成影响，导致在实际应用上有局限性。
技术实现要素：
实用新型目的：为了克服背景技术的不足，本实用新型公开了一种应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线。
技术方案：本实用新型的应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线，包括正方形金属地，所述金属地上平面侧边均设有介质基板，所述介质基板垂直于金属地上表面且相互连接形成四周壁结构，所述介质基板上均印刷有相同的蜿蜒型偶极子阵元，所述蜿蜒型偶极子阵元在介质基板上居中排列，所述蜿蜒型偶极子阵元由多个偶极子单元折叠蜿蜒形成，其中两个相邻的偶极子单元之间设有馈电端口。
利用偶极子的方向图特征，采用印刷蜿蜒型偶极子作为阵元，将偶极子排列在介质基板上，由于基板上的等效波长要小于空气中波长，这样既有效减小了阵列天线的尺寸，且易于加工。
阵元的激励分布并不是等幅同相的，而是基于功率传输最大化理论优化得出。通过在远场特定位置(辐射方向)放置接收天线，优化所设计的发射天线与接收天线之间的传输效率，找到对应最大传输效率的一组发射天线的激励分布，这组激励就是设计发射天线所需要的最佳激励分布。通过射频电路馈电的方式将这组激励赋给相应的阵元，从而实现定向辐射的效果。整个过程所需散射参数可以由电磁仿真软件hfss15.0得到。
进一步的，所述蜿蜒型偶极子阵元中偶极子单元蜿蜒折数为六折以上。
进一步的，所述蜿蜒型偶极子阵元中偶极子单元的上下高度一致，上端与介质基板的上边缘平齐，下端与金属地间隔相同距离。
进一步的，所述馈电端口设置在蜿蜒型偶极子阵元中第四折偶极子单元和第五折偶极子单元之间的上端部与介质基板上边缘平齐。
进一步的，所述介质基板为介电常数为4.4、损耗正切角为0.02、厚度为1.6mm的fr4材料。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优点为：本实用新型以功率传输效率最大化理论为基础，采用蜿蜒型偶极子作为阵列天线的单元，四个阵元工作频段仿真结果可以覆盖了蓝牙、wifi、以及ism频段，辐射增益高、辐射效率高、辐射模式多样，定向辐射模式在俯仰面可以实现波束扫描的功能，并具有很好的mimo性能。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型单个蜿蜒型偶极子阵元结构示意图；
图3是本实用新型放置在人手模型仿真示意图；
图4是本实用新型阵元放置在人手模型实测与仿真反射系数；
图5是本实用新型各阵元之间的隔离度实与仿真图；
图6是本实用新型各端口在自由空间以及在人手模型上仿真的相关系数图：(a)自由空间中各端口相关系数图，(b)人手模型上各端口相关系数图；
图7是本实用新型阵列天线辐射方向图：(a)自由空间中θ＝0°实测与仿真方向图，(b)人手模型上θ＝0°仿真方向图，(c)自由空间中xoz面θ＝35°实测与仿真方向图，(d)xoz面θ＝35°人手模型上仿真方向图，(e)自由空间中yoz面θ＝35°实测与仿真方向图，(f)yoz面θ＝35°人手模型上仿真方向图；
图8是本实用新型阵列天线内部模拟智能手表内部电子元件仿真示意图；
图9是本实用新型阵列天线内部有无金属盒子仿真s参数变化图：(a)单元反射系数变化图，(b)隔离度变化图；
图10是本实用新型阵列天线内部有无金属盒子仿真辐射方向图变化图：(a)手模型上θ＝0°仿真方向图，(b)xoz面θ＝35°人手模型上仿真方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。
如图1和图2所示的应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线，包括正方形金属地1，所述金属地1上平面侧边均设有介质基板2，该介质基板2介电常数为4.4、损耗正切角为0.02、基板厚度为1.6mm的fr4材料，尺寸为42mm×42mm×9.6mm，所述介质基板2垂直于金属地1上表面且相互连接形成四周壁结构，所述介质基板2上均印刷有相同的蜿蜒型偶极子阵元3，所述蜿蜒型偶极子阵元3在介质基板2上居中排列，所述蜿蜒型偶极子阵元3由六个偶极子单元301折叠蜿蜒形成，所述蜿蜒型偶极子阵元3中偶极子单元301的上下高度一致，上端与介质基板2的上边缘平齐，下端与金属地1间隔相同距离，蜿蜒型偶极子阵元3在介质基板2上印刷时，应该尽量大的理由介质基板2的垂直空间，即上端与介质基板2的上边缘平齐，下端与金属地1间隔尽量小的距离。其中两个相邻的偶极子单元301之间设有馈电端口4，该馈电端口4设置在蜿蜒型偶极子阵元3中第四折偶极子单元和第五折偶极子单元之间的上端部与介质基板2上边缘平齐。所述蜿蜒型偶极子阵元3的尺寸参数l1＝1mm，l2＝7mm，w1＝1.5mm，w2＝3mm，w3＝5mm，w4＝2mm，w5＝5mm，w6＝3mm，以上天线的设计过程中，所有散射参数均由电磁仿真软件hfss15.0优化设计得到。
如图3所示将本实用新型放置在人手模型仿真。
如图4和图5所示，天线实物制作完成以后利用n9918a矢量网络分析仪测得天线的反射系数，将其与仿真得到的反射系数进行对比，分别得到单元的反射系数，以及单元之间的隔离度。
如图6所示，绘制本实用新型阵列天线各端口在自由空间以及在人手模型上仿真的相关系数图，包括自由空间中各端口相关系数图(a)，以及人手模型上各端口相关系数图(b)。
在测天线方向图时，运用弗里斯传输公式：
(pr,db-lr,db)-(pt,db+lt,db)＝gt,db+gr,db-20log10f-20log10d+147.56
以喇叭为标准天线，测量需要的具体步骤如下：
1、将标准天线与信号发生器通过传输线连接，用矢量网络分析仪代替功率计与被测天线通过传输线相连。
2、设置信号发生器频率f，发射功率pt。
3、通过矢量网络分析仪测得标准天线与信号发生器之间传输线的损耗lt,db，被测天线与矢量网络分析仪之间传输线的损耗lr,db。
4、将标准天线与测试天线的高度调整到同一水平面，保证天线之间的距离d在远场。测出矢量网络分析仪接收到的功率pr。
5、保持被测天线不动，将标准天线旋转
6、然后再将射频馈电电路板的损耗计算在内，分别得到阵列天线在自由空间中实测方向图并与仿真进行对比，如图7所示。
如图8、图9和图10所示，对本实用新型阵列天线内部模拟智能手表内部电子元件仿真，得到本实用新型阵列天线内部有无金属盒子仿真s参数变化图：(a)单元反射系数变化图，(b)隔离度变化图，以及本实用新型阵列天线内部有无金属盒子仿真辐射方向图变化图：(a)手模型上θ＝0°仿真方向图，(b)xoz面θ＝35°人手模型上仿真方向图。
四单元阵列天线具有较小尺寸42mm×42mm×9.6mm，尺寸较小，增益高，造价低，-10db以下的工作频段为2.40ghz-2.52ghz，带宽约120mhz，俯仰面最大定向增益达到4.6dbi(自由空间)，3.2dbi(放置着在人体手模型上方3mm处)；四单元阵列天线定向辐射可以在俯仰面xoz面，yoz面实现波束扫描，并且具有很好的mimo性能。并且在内部加入一个20mm×20mm×7mm的金属盒子模拟智能手表内部电子元件，天线的性能没有受到影响，可以很好的应用在智能手表设备上。
与2015年，台湾asus的r&d研究中心的saou-wensun,yi-tinghsieh等人在“integratedmetal-frameantennaforsmartwatchwearabledevice”(ieeetrans.antennaspropag.,vol.63,no.7,pp.3301–3305,jul.2015.)提出一种集成在智能手表边框之中的wifi/蓝牙天线相比，本实用新型中的四单元天线阵列尺寸更小，辐射模式多样化，并且增益较高；与2018年伦敦大学玛丽皇后学院电子工程与计算机科学学院的dlwen和y.hao等人在“designofamimoantennawithhighisolationforsmartwatchapplicationsusingthetheoryofcharacteristicmodes,”(ieeetransantennaspropag,tobepublished,2019.)设计的一种适用于金属框架智能手表的mimo天线相比，本实用新型中天线阵列单元数更多，mimo性能更好，并且辐射增益高、辐射效率高、辐射模式多样。
1.一种应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线，其特征在于：包括正方形金属地(1)，所述金属地(1)上平面侧边均设有介质基板(2)，所述介质基板(2)垂直于金属地(1)上表面且相互连接形成四周壁结构，所述介质基板(2)上均印刷有相同的蜿蜒型偶极子阵元(3)，所述蜿蜒型偶极子阵元(3)在介质基板(2)上居中排列，所述蜿蜒型偶极子阵元(3)由多个偶极子单元(301)折叠蜿蜒形成，其中两个相邻的偶极子单元(301)之间设有馈电端口(4)。
2.根据权利要求1所述的应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线，其特征在于：所述蜿蜒型偶极子阵元(3)中偶极子单元(301)蜿蜒折数为六折以上。
3.根据权利要求1所述的应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线，其特征在于：所述蜿蜒型偶极子阵元(3)中偶极子单元(301)的上下高度一致，上端与介质基板(2)的上边缘平齐，下端与金属地(1)间隔相同距离。
4.根据权利要求1所述的应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线，其特征在于：所述馈电端口(4)设置在蜿蜒型偶极子阵元(3)中第四折偶极子单元和第五折偶极子单元之间的上端部与介质基板(2)上边缘平齐。
5.根据权利要求1所述的应用于智能手表的波束扫描偶极子阵列天线，其特征在于：所述介质基板(2)为介电常数为4.4、损耗正切角为0.02、厚度为1.6mm的fr4材料。
技术总结