多频段智能手表天线

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近几年来,智能可穿戴设备的市场规模迎来了爆发式的增长,出货量从2012年的191万台激增到2019年的2.2亿台。智能手表作为可穿戴设备的主力,因其强大的功能和便携性得到了广大消费者的青睐。然而强大的功能需要相应的软硬件来支持,这意味着需要更多的硬件集成在智能手表有限的空间内,这会导致留给天线设计的空间被进一步压缩。设计空间受限导致智能手表天线的设计思路主要分为两种,一种是将天线设计在表盘侧框或者地板上,这种天线往往只能覆盖WiFi、蓝牙等少数频段;另一种是将天线设计在智能手表的表带上,天线带宽虽然较宽,但其尺寸较大,在使用过程中容易折断。针对上述问题,本文系统的研究了用于智能手表的天线的结构、原理、性能并设计了三款小型化、多频段天线方案。首先,本文设计了一款基于表带的七频段弯曲天线。由于表带天线有伸直和弯曲两种状态,所以先设计了一款模拟手表取下时天线伸直状态的直板天线,并对其弯曲后性能进行研究;然后设计了弯曲的天线,模拟的是手表戴在消费者手腕上时天线弯曲的状态。弯曲天线可以覆盖GSM850/900(824-960MHz)、GSM1800/1900/UMTS2100/LTE2300/LTE2500(1710-2690MHz)七个频段。其次,利用可重构技术在手表侧壁上设计了一款零净空的耦合馈电天线,该天线由耦合环和耦合接地短路带构成,耦合环和接地短路带都是由一个T型馈电枝节耦合馈电。在环和短路带的接地端各接入一个可调电容来实现可重构从而覆盖上述七个频段。为了能够提高天线的传输速率和信道容量,利用MIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs,简称MIMO)技术,在手表的侧壁上设计了一款零净空的六频段2×2MIMO天线,该天线能够覆盖GSM850(824-890MHz)、GSM1800/1900/UMTS2100/LTE2300/LTE2500(1710-2690MHz)六个频段。最后,设计了一款基于金属边框的缝天线。该天线在金属边框上开缝,并利用匹配电路技术增加带宽。然而由于手表地板较小,阻抗匹配不是很完美,为了改善天线的阻抗匹配,在两条表带上增加了两条金属带与手表的金属框架相连接。最终可以完全覆盖上述七个频段。本文对所设计的三款智能手表天线进行了相关的仿真,在所要求的频段内天线的仿真S参数基本满足相应要求(S11≤-6dB,S12≤-10dB),天线仿真效率也基本满足相应的要求。除了仿真,还对零净空的耦合馈电天线和金属边框缝天线进行了加工测试,测试结果与仿真值基本一致,具有实际应用价值。
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