CN108512564B - 一种应用可变频天线的腕带装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用可变频天线的腕带装置，根据佩戴人员腕部粗细不同使卡口与相应的触点接触，从而确定天线工作频率，人员管理系统可以根据绑定的天线工作频率信息以及腕部体征信息确定该人员的工作区域或活动范围，进而实现佩戴人员的腕部信息、工作频率以及活动范围的绑定，最终实现不同人员分组。本发明公开的腕带装置不依赖于GPS、WIFI或蓝牙定位系统，即可实现人员按区域或活动范围自动分组及远距离的通信，尤其适用于大范围野外无网络环境下施工现场的智能化管理、四维施工管理系统、人员自识别系统以及其他包含人员三维空间轨迹和定位、考勤、工地设备监测、人员健康监测功能的大型管理系统。

Description

一种应用可变频天线的腕带装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体说涉及一种应用可变频天线的腕带装置。

背景技术

腕带式天线作为重要的通信器件广泛应用于智能手环和智能手表等各类可穿戴设备中。由于腕带的可设计空间较小，其天线除了必须满足紧凑、易与手腕共形和低剖面的要求外，难以实现可变频、高增益等性能及功能的扩展，尤其限制了sub-GHz频段天线的推广应用。基于上述问题，研发人员对各类小型天线进行开发和设计。

文献“Integrated Metal-Frame Antenna for Smart watch Wearable Device”及文献“ALow-Profile Wearable Antenna Using a Miniature High Impedance Surfacefor Smartwatch Applications”均提出了一款利用智能手表金属边框设计的矩形环状天线，虽然能够实现基本的通信功能，但其工作频段仅覆盖2.4GHz，无法实现变频；另外，由于天线设计并未考虑人体低比吸收率的影响，难以真正用于可穿戴设备。文献“Bluetoothand Wi-Fi tri-band antenna on metal frame of smartwatch”介绍了一种环形多频天线，但天线仅能工作于GPS、蓝牙和WIFI高频段，难以实现低频段的可调谐设计。文献“Conformai integrated multi-layer thin-film antenna by novel LITAtechnologiesfor smartwatch wearable device applications”给出了采用特殊工艺制造的多层金属薄膜天线，天线的结构属于平面倒F天线，其谐振频率位于2.4GHz蓝牙频段。

另外，可穿戴天线采用的是柔性材料介质，由于佩戴过程中会引起天线形态的变化，从而导致天线的性能在一定程度上发生改变，为了克服此类问题，研究者通常采用两种方法，即将天线的辐射单元尽可能的小型化或者采用新型结构，以降低天线对形态改变的灵敏度。文献“智能手表天线研究”报道了一种多折弯直板天线，借助辐射枝节来实现天线的多频和宽频特点。文献“A novel wrist wear dual-band diversity antenna”提出了一种与手腕共形分集微带天线，覆盖850MHz-900MHz和1.74GHz-1.85GHz两个GSM频段，但此天线仅能依靠电路来调谐其工作频段，并未实现与人体特征的联合调谐，难以满足人员管理系统的使用需求。

现有的天线变频形式仍然以电子模块调谐为主，天线依靠本身多个物理分支来实现调频，难以将佩戴人员的体征如腕部作为载波信息供大范围人员管理系统使用。此外，腕带天线的设计本身需要性能与尺寸的相互妥协，需要通过合理的结构设计，最大化利用可用空间设计出符合需求的天线。同时现有腕带天线多集中于GHz频段以上，且受自身功率和佩戴人员身体的影响，难以满足大范围野外无网络环境下施工现场的远距离通信和定位需求。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种应用可变频天线的腕带装置，其天线的工作频率依据佩戴者的腕部粗细在sub-GHz频段自主切换，不依赖于GPS、WIFI或蓝牙定位系统，即可实现人员按区域或活动范围自动分组和远距离的通信。

本发明的技术方案如下：

一种应用可变频天线的腕带装置，其特征在于，包括：腕带基体；以及固定在在所述腕带基体中部的塑料卡具；所述塑料卡具的一端伸出设置于腕带基体纵向中间位置处、沿腕带基体表面纵向呈直线方式延伸至腕带边沿部分的第一天线辐射单元，所述第一天线辐射单元伸出所述塑料卡具位置设有天线馈电点且其末端连接金属卡扣；所述塑料卡具的另一端伸出设置于腕带基体纵向中间位置处、沿腕带基体表面纵向呈连续均匀“几”字形方式延伸至腕带基体边沿部分的第二天线辐射单元，所述第二天线辐射单元的末端分别设置有第一触点、第二触点及第三触点；所述第一天线辐射单元与所述第二天线辐射单元通过在所述塑料卡具内部电路连接；使用时，根据佩戴人员腕部体征在第一触点、第二触点及第三触点中选择与所述金属卡扣配合的触点卡紧。

基于上述方案，进一步优选的，

所述腕带基体采用软弹性材料。

基于上述方案，进一步优选的，

所述塑料卡具与所述第一天线辐射单元、所述第二天线辐射单元均通过插接件连接。

基于上述方案，进一步优选的，

所述第一天线辐射单元与所述第二天线辐射单元的天线长度根据工作频率要求设置。

基于上述方案，进一步优选的，

所述第二天线辐射单元中相邻“几”字形间的连接部宽度根据工作增益要求设置。

基于上述方案，进一步优选的，

所述腕带装置工作频段为315MHz—915MHz和UWB频段。

通过上述技术方案，本发明公开了一种与佩戴者自身腕部体征匹配的应用可变频天线的腕带装置，根据佩戴人员腕部粗细不同使卡口与相应的触点接触，从而确定天线工作频率，人员管理系统可以根据绑定的天线工作频率信息以及腕部体征信息确定该人员的工作区域或活动范围，进而实现佩戴人员的腕部信息、工作频率以及活动范围的绑定，最终实现不同人员分组。本发明公开的腕带装置不依赖于GPS、WIFI或蓝牙定位系统，即可实现人员按区域或活动范围自动分组及远距离的通信，尤其适用于大范围野外无网络环境下施工现场的智能化管理、四维施工管理系统、人员自识别系统以及其他包含人员三维空间轨迹和定位、考勤、工地设备监测、人员健康监测功能的大型管理系统。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明腕带装置结构示意图；

图2a为本发明实施例中金属卡扣断开时天线回波损耗图；

图2b为本发明实施例中金属卡扣断开时天线归一化输入阻抗图；

图2c为本发明实施例中金属卡扣断开时天线E面辐射图；

图3a为本发明实施例中金属卡扣与第一触点接触时天线回波损耗图；

图3b为本发明实施例中金属卡扣与第一触点接触时天线归一化输入阻抗图；

图3c为本发明实施例中金属卡扣与第一触点接触时天线E面辐射图；

图4a为本发明实施例中金属卡扣与第二触点接触时天线回波损耗图；

图4b为本发明实施例中金属卡扣与第二触点接触时天线归一化输入阻抗图；

图4c为本发明实施例中金属卡扣与第二触点接触时天线E面辐射图；

图5a为本发明实施例中金属卡扣与第三触点接触时天线回波损耗图；

图5b为本发明实施例中金属卡扣与第三触点接触时天线归一化输入阻抗图；

图5c为本发明实施例中金属卡扣与第三触点接触时天线E面辐射图。

附图标记说明：

1、腕带基体；2、塑料卡具；3、第一天线辐射单元；4、第二天线辐射单元；5、第一触点；6、第二触点；7、第三触点；8、金属卡扣；9、天线馈电点。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1所示：一种应用可变频天线的腕带装置，包括：腕带基体1；以及固定在在所述腕带基体1中部的塑料卡具2；所述塑料卡具2的一端伸出设置于腕带基1体纵向中间位置处、沿腕带基体1表面纵向呈直线方式延伸至腕带边沿部分的第一天线辐射单元3，所述第一天线辐射单元3伸出所述塑料卡具2位置设有天线馈电点9且其末端连接金属卡扣8；所述塑料卡具2的另一端伸出设置于腕带基体1纵向中间位置处、沿腕带基体1表面纵向呈连续均匀“几”字形方式延伸至腕带基体1边沿部分的第二天线辐射单元4，所述第二天线辐射单元4的末端分别设置有第一触点5、第二触点6及第三触点7；所述第一天线辐射单元3与所述第二天线辐射单元4在所述塑料卡具2内部通过插接件和电路版配合实现电路连接；使用时，根据佩戴人员腕部体征在第一触点5、第二触点6及第三触点7中选择与所述金属卡扣8配合的触点卡紧，通过金属卡扣8与不同触点接触进而改变天线有效长度实现工作频段的变换。

进一步的，所述腕带基体1采用软弹性材料。柔性材料可以是硅胶、橡胶、软塑料等。腕带制作时现将天线放置入模具内部的卡槽中以保证天线相对位置准确，然后通过浇筑硅胶等材料定形。

进一步的，塑料卡具2与所述第一天线辐射单元3、所述第二天线辐射单元4均通过插接件连接，且塑料卡具2内部设置有与插接件对应的公母头。

进一步的,第一天线辐射单元3与第二天线辐射单元4的天线长度根据工作频率要求设置，并按照公知的常规天线公式计算，天线长度越长，可使用的工作频率点增多，天线8的长度取决于最低工作频点要求。同时，天线的布置形式与增益有关，因此第二天线辐射单元4中相邻“几”字形间的连接部宽度根据工作增益要求设置，连接部宽度越宽，微带天线增益有所增加，且第二天线辐射单元4各个转折间的宽度范围为天线总长度/转折数量，总长度由工作频点确定。

所述腕带装置工作频段为315MHz—915MHz和UWB频段。

本发明在低频阶段(sub-GHz)，可以根据佩戴人员腕部粗细选择与金属卡扣接触的触点从而改变接入天线的有效长度进而调节天线工作频率，实现佩戴者与工作频率之间的绑定，便于人员识别，由于接入点不同，工作频率相应变化使得本发明具有变频的功能，触点的数量可以根据腕带工作频率的需求进行增减。这样，系统可以根据绑定的天线工作频率信息，确定该人员的工作区域或活动范围，最终佩戴人员的腕部信息、工作频率以及活动范围就实现绑定，实现不同人员分组。

下面对腕带装置工作在不同的工作频率时的工作状态进行分析，作为对本发明的技术方案做进一步的说明：

当金属卡扣8保持断开状态时，在馈源的激励下，天线工作在f1频率，输入阻抗接近50欧姆，为全向天线，带宽为82MHz(830MHz～913MHz)，如图2a到2c所示，分别为其回波损耗示意图、归一化输入阻抗示意图及E面辐射示意图。

当金属卡扣8与第一触点5接触时，天线可以工作于f2和f3频段，且f3频率大于f2。当天线工作于f2频段时，天线有效长度最大，频段最低，回波损耗S11的值为-26.56dB，带宽为18MHz。天线的辐射特性与单极子天线类似，都为全向辐射。3a到3c所示，分别为此时的回波损耗示意图、归一化输入阻抗示意图及E面辐射示意图。

当金属卡扣与第二触点6接触时，由于天线的有效长度缩小，天线的谐振频率会增加。天线可以工作于f4和f5频段，且f5高于f4。此时在f4频段，天线S11为-33dB，带宽为18MHz，输入阻抗与50欧姆较为接近，天线也为全向辐射。4a到4c所示，分别为此时的回波损耗示意图、归一化输入阻抗示意图及E面辐射示意图。

当金属卡扣8与第三触点7接触时，长度进一步减少，谐振频率增加。此时天线的谐振频率为f6和f7。在f6频率，天线的回波损耗值为-38.96dB，有效带宽为20MHz，归一化输入阻抗非常接近50欧姆。辐射方向为全向。5a到5c所示，分别为此时的回波损耗示意图、归一化输入阻抗示意图及E面辐射示意图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用可变频天线的腕带装置，其特征在于，包括：腕带基体(1)；

以及固定在在所述腕带基体中部的塑料卡具(2)；

所述塑料卡具(2)的一端伸出设置于腕带基体(1)纵向中间位置处、沿腕带基体(1)表面纵向呈直线方式延伸至腕带基体(1)边沿部分的第一天线辐射单元(3)，所述第一天线辐射单元(3)伸出所述塑料卡具(2)位置设有天线馈电点(9)且其末端连接金属卡扣(8)；

所述塑料卡具(2)的另一端伸出设置于腕带基体(1)纵向中间位置处、沿腕带基体(1)表面纵向呈连续均匀“几”字形方式延伸至腕带基体(1)边沿部分的第二天线辐射单元(4)，所述第二天线辐射单元(4)的末端分别设置有第一触点(5)、第二触点(6)及第三触点(7)；

所述第一天线辐射单元(3)与所述第二天线辐射单元(4)在所述塑料卡具(5)内部通过电路连接；

使用时，根据佩戴人员腕部体征在第一触点(5)、第二触点(6)及第三触点(7)中选择与所述金属卡扣(8)配合的触点卡紧；

根据佩戴人员腕部粗细不同使卡口与相应的触点接触，从而确定天线工作频率，人员管理系统可以根据绑定的天线工作频率信息以及腕部体征信息确定该人员的工作区域或活动范围，进而实现佩戴人员的腕部信息、工作频率以及活动范围的绑定，最终实现不同人员分组。

2.根据权利要求1所述的腕带装置，其特征在于，所述腕带基体(1)采用软弹性材料。

3.根据权利要求1所述的腕带装置，其特征在于，所述塑料卡具(2)与所述第一天线辐射单元(3)、所述第二天线辐射单元(4)均通过插接件连接。

4.根据权利要求1所述的腕带装置，其特征在于，所述第一天线辐射单元(3)与所述第二天线辐射单元(4)的天线长度根据工作频率要求设置。

5.根据权利要求4所述的腕带装置，其特征在于，所述第二天线辐射单元(4)中相邻“几”字形间的连接部宽度根据工作增益要求设置。

6.根据权利要求4或5中任意一项所述的腕带装置，其特征在于，所述腕带装置工作频段为315MHz—915MHz和UWB频段。