CN106252859A - 一种柔性基底的体表通信天线 - Google Patents

Abstract

本发明一种柔性基底的体表通信天线，主要包括柔性聚酰亚胺的基底和粘贴在整个柔性聚酰亚胺的基底上的铜片贴片，铜片贴片部分包括凹形辐射贴片、带状线贴片和两块同样大小的地平面贴片，带状线贴片与凹形辐射贴片的下面的长横线贴片形成整体，带状线贴片的长度延至基底的下边线，地平面贴片的长度也延至基底的下边线，两块同样大小的地平面贴片分置在带状线贴片近旁的两边，凹形辐射贴片的中间的短线横贴片之间留有宽度为1mm的间隙，带状线贴片与左右两块地平面贴片之间有宽度均为0.15mm间隙，克服了现有天线所存在的不能与人体皮肤紧密贴合，不能集成到射频电路中、传输效率以及增益性低和沿着人体体表通信损耗大的缺陷。

Description

一种柔性基底的体表通信天线

技术领域

本发明的技术方案涉及在绝缘支架上由导电层构成的天线，具体地说是一种柔性基底的体表通信天线。

背景技术

近年来，随着无线通信和互联网技术的发展，无线体域网技术逐渐发展起来，它是以人体为中心，与体内的无线传感器、体表的终端设备以及体外的无线通信网络构成的整个无线通信系统，在医疗、军事、航空航天和通信信息方面得到广泛应用。天线作为无线通信不可缺少的器件，成为无线体域网系统集成的关键。普通硬质基底天线不能发生形变，而柔性基底天线能够弯曲和弯折，从而与人体皮肤更紧密的贴合，因此，在保证天线正常通信情况下，研发以柔性材料为基底的天线具有重要意义。

在申请人检索到的范围内，以下文献公开的内容与本发明的技术方案相关：

[1]罗志勇，胡俊峰，张彬等人在《基于枝节谐振器的体域网超宽带陷波天线优化设计》(参见《重庆大学学报：自然科学版，2015年2月》)一文中，设计了一款用于体域网的超宽带陷波天线，1.5mm厚的FR4介质作为天线基底材料，测试了天线的回波损耗以及方向图等参数，性能良好，但是仅将天线放在模拟皮肤表面进行了仿真分析，并没有放在人体表面进行测试，可能是由于FR4基底的硬质天线不能与人体皮肤紧密贴合的原因。

[2]Nacer Chahat等在《Wearable Endfire Textile Antenna for On-BodyCommunications at 60GHz》(参见《Antennas and Wireless Propagation Letters》，2012年7月)一文中，设计了一种可穿戴织物八木天线，目的是将天线缝在衣服上，起到隐蔽作用，虽然以织物为基底的天线能够发生形变，但是不能集成到射频电路中去，并且作者通过测试发现当天线距离人体5mm时，回波损耗、增益和效率等参数性能良好，而当天线距离人体0mm时，会出现短路情况，应该避免天线嵌入到两个织物上。

[3]Haider Raad Khaleel在《Design and Fabrication of Compact InkjetPrinted Antennas for Integration Within Flexible and Wearable Electronics》(参见《Transaction on Component,Packaging and Manufacturing Technology》，2014年10月)一文中，利用喷墨印刷技术制造了一款柔性超宽带天线，该天线使用柔性Kapton聚酰亚胺薄膜作为基底材料，聚酰亚胺材料在物理、化学以及电性能方面有很好的平衡性，且具有损耗系数低、薄、抗张强度好等特性，为了测试天线的柔性，将天线进行弯曲测试，结果表明天线的性能参数变化不大。但是该天线属于全向天线，若应用在人体表面，其传输效率以及增益等性能会大大降低。

[4]N.A.L.Alias,N.A.M.Affendi,Z.Awang等在其《Preliminary Studies on theUse of Natural Rubber in the Design of Flexible Microstrip Antennas》(参见《IEEE International RF and Microwave Conference》，2013年9月)一文中，采用天然橡胶作为天线的基底材料，天然橡胶具有一定的弹性，能够自由伸缩且在变形后能够恢复原状，又在橡胶中掺杂了不同量的碳，以便增加机械应变能力，提高机械性能，通过测量天线特征参数，发现以天线橡胶为基底的天线能够正常工作，但是这种材料应用较少，有待探究。

CN105119046A披露了一种紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线，其存在基底的厚度大(0.3mm的PET柔性基底或1mm厚的PDMS基底)，只能在单频带2.45GHz工作的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种柔性基底的体表通信天线，利用50um厚的柔性基底聚酰亚胺柔性材料作为天线基底，具有了可弯曲的特点，从而达到与人体共形的目的，工作在ISM 2.45GHz和5.8GHz双频带通信频段，具有单极子辐射模式，能够在人体体表通信，克服了上述现有技术天线所存在的不能与人体皮肤紧密贴合，不能集成到射频电路中、传输效率以及增益性低和沿着人体体表通信损耗大的诸多缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种柔性基底的体表通信天线，是一个凹形辐射贴片天线，主要包括柔性聚酰亚胺的基底和粘贴在整个柔性聚酰亚胺的基底上的铜片贴片，铜片贴片部分包括凹形辐射贴片、带状线贴片和两块同样大小的地平面贴片，带状线贴片与凹形辐射贴片的下面的长横线贴片形成整体，带状线贴片的长度延至基底的下边线，地平面贴片的长度也延至基底的下边线，两块同样大小的地平面贴片分置在带状线贴片近旁的两边，凹形辐射贴片的中间的短线横贴片之间留有宽度为1mm的间隙，带状线贴片与左右两块地平面贴片之间有宽度均为0.15mm间隙。

上述一种柔性基底的体表通信天线，所述天线的尺寸如下：基底的高度为L＝30mm，基底的宽度为W＝25mm，带状线贴片的宽度为W₁＝4mm，凹形辐射贴片的下方横线贴片的内宽度为W₂＝15mm，凹形辐射贴片的最上方的左右两边的横线贴片的内宽度均为W₃＝3mm，凹形辐射贴片的中部的左右两边的横线贴片的宽度均为W₄＝4mm，地平面贴片的高度为L₁＝7mm，地平面贴片的宽度为W₅＝10.35mm，凹形辐射贴片的左右两边的外竖线贴片的外高度为L₂＝13mm，凹形辐射贴片的左右两边的外竖线贴片的内高度为L₃＝11mm，凹形辐射贴片的左右两边的内竖线贴片的高度为L₄＝5mm。

上述一种柔性基底的体表通信天线，所述柔性聚酰亚胺的基底的厚度为h＝50um，ε_r＝3.5,tanδ＝0.0027，铜片贴片的厚度为35um。

上述一种柔性基底的体表通信天线，所述天线工作在双频段ISM 2.45GHz和ISM5.8GHz。

上述一种柔性基底的体表通信天线，所述天线的制作方法是，用环氧树脂胶粘剂将铜片贴片粘贴在柔性聚酰亚胺的基底上，在用环氧树脂胶粘剂将覆盖膜PI粘贴在铜片贴片上，防止铜片被氧化，其中，铜片贴片的厚度为35um，覆盖膜PI的厚度为25um，环氧树 脂胶粘剂的厚度为20um，天线总厚度0.15mm。

上述一种柔性基底的体表通信天线，所涉及的原材料通过商购获得，加工方法是本技术领域能够掌握的。

上述一种柔性基底的体表通信天线，其使用方法是直接将天线贴在人体皮肤表面，进而通过传感器和外部电路实现对人体生理信号的实时监测，然后将信号传输到医院或者工作站等地方。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比所具有的突出的实质性特点如下：

(1)本发明一种柔性基底的体表通信天线的设计过程是：以聚酰亚胺为基底材料，因为它具有柔性、耐热性以及承受机械应变的能力，以铜为导电材料，利用软件仿真优化天线的尺寸，使天线工作在双频段ISM 2.45GHz和ISM 5.8GHz，进而分析该天线的性能参数，包括回波损耗、方向图、增益和效率；基于微波技术与天线理论，验证天线的尺寸与频率的关系，然后加工制作出该柔性天线；通过矢量网络分析仪测试天线的回波损耗参数，验证仿真结果；并对该天线进行柔性测试，分为沿x轴弯曲和沿y轴弯曲两种情况下的柔性测试，分析天线在弯曲条件下参数的变化；最后在天线仿真模型基础上，建立天线在人体上的仿真模型，分析天线与人体之间的相互影响，并将该柔性天线放到人体皮肤表面进行测试。

(2)本发明一种柔性基底的体表通信天线是双边带天线，是一个凹形辐射贴片天线，由共面波导馈电，即带状线贴片和地平面在基底的同一侧，凹形辐射贴片之间留有间隙m，当天线的激励振子的长度是波长的1/4的整数倍时，天线发生谐振。基于微波技术与天线理论，设计该天线用到以下的(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)式：

首先，利用公式(Ⅰ)计算介质的有效介电常数。其中h、ε_r、ε_eff、W₁分别为介质板的厚度、介质相对介电常数、介质有效介电常数和带状线贴片的宽度，我们选择柔性基底材料是聚酰亚胺，其介电常数为3.5，厚度为0.05mm，带状线贴片的宽度为4mm，利用公式(Ⅰ)，可以得到等效介质的相对介电常数ε_eff≈3.42。

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{\left(1+12\frac{h}{W_1}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(I\right)$

然后，计算谐振频率。计算公式(Ⅱ)和(Ⅲ)，其中c为自由空间光速，λ₁和λ₂为电磁波在介质中的波长，f₁和f₂为天线的谐振频率，l为整个凹形辐射贴片的长度，如图1所示，l＝W₂+2×L₃+2×W₃+2×L₄+2×W₄＝61mm。

$f_1=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·{\mathrm{\λ}}_1}\≈\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·l}\≈\frac{3\×{10}^8}{\sqrt{3.42}\·0.061}\≈2.6\×{10}^{9}Hz---\left(II\right)$

$f_2=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·{\mathrm{\λ}}_2}\≈\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·\frac{1}{2.2}\·l}\≈\frac{3\×{10}^8}{\sqrt{3.42}\·\frac{1}{2.2}\·0.061}\≈5.8\×{10}^{9}Hz---\left(III\right)$

最后，比较电流分布图和计算结果。从电流分布图中可以看出，在ISM 2.45GHz处，凹形辐射贴片的中间的短线横贴片的两个地方电流最小，凹形辐射贴片的下方横线贴片中间有一个电流最小点，所以凹形辐射贴片的长度可以看成近似一个波长，与计算结果基本吻合；在ISM 5.8GHz处，除了凹形辐射贴片的中间的短线横贴片末端的两个地方电流最小之外，在凹形辐射贴片的下方横线贴片分出现三个电流最小的地方，所以凹形辐射贴片的长度可以看成近似两个波长，计算结果是l＝2.2·λ₂，仅仅稍有偏差。

本发明与现有技术相比所具有的显著进步如下：

(1)现有技术的天线大部分工作在单频带ISM 2.45GHz频段，造成这个频段越来越拥挤且产生严重干扰。本发明一种柔性基底的体表通信天线工作在双频带ISM 2.45GHz和5.8GHz，ISM 5.8GHz工作频段是有望代替2.45GHz的通信频段之一，既能满足现在通信设备的无线连接也能使用新频段的无线连接。

(2)现有技术的硬质天线不能满足实现体表通信需求，本发明一种柔性基底的体表通信天线是一款能够与人体表面贴合的柔性天线。

(3)将本发明一种柔性基底的体表通信天线放在人体手臂上测试，发现天线离人体一段距离有较好回波损耗，若紧贴于人体，虽有一定的影响，但是该天线仍能正常工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种柔性基底的体表通信天线的正视示意图。

图2为本发明一种柔性基底的体表通信天线的侧视示意图。

图3为本发明一种柔性基底的体表通信天线的制作方法示意图。

图4为本发明一种柔性基底的体表通信天线仿真的电流分布图，其中：

图4(a)是本发明一种柔性基底的体表通信天线在2.45GHz处的仿真电流分布图。

图4(b)是本发明一种柔性基底的体表通信天线在5.8GHz处的仿真电流分布图。

图中，1.基底，2-1.凹形辐射贴片，2-2.带状线贴片，2-3.地平面贴片。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明一种柔性基底的体表通信天线的结构主要包括柔性聚酰亚胺的基底1和粘贴在整个柔性聚酰亚胺的基底1上的铜片贴片，铜片贴片部分包括凹形辐射贴片2-1、带状线贴片2-2和两块同样大小的地平面贴片2-3，带状线贴片2-2与凹形辐射贴片2-1的下面的长横线贴片形成整体，带状线贴片2-2的长度延至基底1的下边线，两块同样大小的地平面贴片2-3分置在带状线贴片2-2近旁的两边，凹形辐射贴片2-1的中间的短线横贴片之间留有宽度为m的间隙，带状线贴片2-2与左右两块地平面贴片2-3之间存有间隙。

图1中，基底1的高度为L＝30mm，基底1的宽度为W＝25mm，带状线贴片2-2的宽度为W₁＝4mm，凹形辐射贴片2-1的下方横线贴片的内宽度为W₂＝15mm，凹形辐射贴片2-1的最上方的左右两边的横线贴片的内宽度均为W₃＝3mm，凹形辐射贴片2-1的中部的左右两边 的横线贴片的宽度均为W₄＝4mm，底部贴片2-3的高度为L₁＝7mm，地平面贴片2-3的宽度W₅＝10.35mm，凹形辐射贴片2-1的外竖线贴片的外高度为L₂＝13mm，凹形辐射贴片2-1的外竖线贴片的内高度为L₃＝11mm，凹形辐射贴片2-1的内竖线贴片的高度为L₄＝5mm，凹形辐射贴片2-1的中间的短线横贴片之间留有的间隙的宽度为m＝1mm。

图2所示实施例表明，本发明一种柔性基底的体表通信天线的基底1的厚度为h＝50um，带状线贴片2-2与左右两块地平面贴片2-3之间的间隙的宽度均为g＝0.15mm。

图3所示实施例表明，本发明一种柔性基底的体表通信天线的制作方法是，用环氧树脂胶粘剂将铜片贴片粘贴在柔性聚酰亚胺的基底1上，在用环氧树脂胶粘剂将覆盖膜PI粘贴在铜片贴片上，防止铜片被氧化，其中，铜片贴片的厚度为35um，覆盖膜PI的厚度为25um，环氧树脂胶粘剂的厚度为20um，天线总厚度0.15mm。

图4所示实施例显示本发明一种柔性基底的体表通信天线的电流分布状况,其中：

右边标尺的符号dB(1A/m)，是磁场强度H的单位，变化的电流产生磁场，所以磁场强度的大小能够反映电流的大小。

图4(a)显示本发明一种柔性基底的体表通信天线在2.45GHz处的仿真电流分布状况，对比图中最右边的标尺中的颜色深浅度，可以看出在2.45GHz处电流主要集中在带状线贴片2-2以及凹形辐射贴片2-1的U形部分，即左右外竖线和下方横线贴片处。

图4(b)显示本发明一种柔性基底的体表通信天线在5.8GHz处的仿真电流分布状况，对比图中最右边的标尺中的颜色深浅度，可以看出在5.8GHz处电流主要集中在带状线贴片2-2以及凹形辐射贴片2-1的左右外竖线、左右内竖线和最上方的左右两边的横线贴片。

实施例

本实施例的一种柔性基底的体表通信天线，如图1实施例所示，是一个凹形辐射贴片天线，主要包括柔性聚酰亚胺的基底1和粘贴在整个柔性聚酰亚胺的基底上的铜片贴片，铜片贴片部分包括凹形辐射贴片2-1、带状线贴片2-2和两块同样大小的地平面贴片2-3，带状线贴片2-2与凹形辐射贴片2-1的下面的长横线贴片形成整体，带状线贴片2-1的长度延至基底1的下边线，地平面贴片2-3的长度也延至基底1的下边线，两块同样大小的地平面贴片2-3分置在带状线贴片2-2近旁的两边，凹形辐射贴片2-1的中间的短线横贴片之间留有宽度为m＝1mm的间隙，带状线贴片2-2与左右两块地平面贴片2-3之间有宽度均为g＝0.15mm间隙；基底1的高度为L＝30mm，基底1的宽度为W＝25mm，带状线贴片2-2的宽度为W₁＝4mm，凹形辐射贴片2-1的下方横线贴片的内宽度为W₂＝15mm，凹形辐射贴片2-1的最上方的左右两边的横线贴片的内宽度均为W₃＝3mm，凹形辐射贴片2-1的中部的左右两边的横线贴片的宽度均为W₄＝4mm，地平面贴片2-3的高度为L₁＝7mm，地平面贴片2-3的宽度为W₅＝10.35mm，凹形辐射贴片2-1的左右两边的外竖线贴片的外高度为L₂＝13mm，凹形辐射贴片2-1的左右两边的外竖线贴片的内高度为L₃＝11mm，凹形辐射贴片2-1的左右两边的内竖线贴片的高度为L₄＝5mm；本实施例天线加工后的总厚度为0.15mm，所述柔性聚酰亚胺的基底1的厚度为h＝50um，ε_r＝3.5,tanδ＝0.0027，铜片贴片的厚度为35um。

本实施例的一种柔性基底的体表通信天线，其工作在双频段ISM 2.45GHz和ISM5.8GHz。

本实施例的一种柔性基底的体表通信天线，其制作方法是，用环氧树脂胶粘剂将铜片贴片粘贴在柔性聚酰亚胺的基底1上，在用环氧树脂胶粘剂将覆盖膜PI粘贴在铜片贴片上，防止铜片被氧化，其中，铜片贴片的厚度为35um，覆盖膜PI的厚度为25um，环氧树脂胶粘剂的厚度为20um，天线总厚度0.15mm。

本实施例的一种柔性基底的体表通信天线，其使用方法是直接将天线贴在人体皮肤表面，进而通过传感器和外部电路实现对人体生理信号的实时监测，然后将信号传输到医院或者工作站等地方。

本实施例的一种柔性基底的体表通信天线，所涉及的原材料通过商购获得，加工方法是本技术领域能够掌握的。

Claims (4)

1.一种柔性基底的体表通信天线，其特征在于：是一个凹形辐射贴片天线，主要包括柔性聚酰亚胺的基底和粘贴在整个柔性聚酰亚胺的基底上的铜片贴片，铜片贴片部分包括凹形辐射贴片、带状线贴片和两块同样大小的地平面贴片，带状线贴片与凹形辐射贴片的下面的长横线贴片形成整体，带状线贴片的长度延至基底的下边线，地平面贴片的长度也延至基底的下边线，两块同样大小的地平面贴片分置在带状线贴片近旁的两边，凹形辐射贴片的中间的短线横贴片之间留有宽度为1mm的间隙，带状线贴片与左右两块地平面贴片之间有宽度均为0.15mm间隙。

2.根据权利要求1所述一种柔性基底的体表通信天线，其特征在于：所述天线的尺寸如下：基底的高度为L＝30mm，基底的宽度为W＝25mm，带状线贴片的宽度为W₁＝4mm，凹形辐射贴片的下方横线贴片的内宽度为W₂＝15mm，凹形辐射贴片的最上方的左右两边的横线贴片的内宽度均为W₃＝3mm，凹形辐射贴片的中部的左右两边的横线贴片的宽度均为W₄＝4mm，地平面贴片的高度为L₁＝7mm，地平面贴片的宽度为W₅＝10.35mm，凹形辐射贴片的左右两边的外竖线贴片的外高度为L₂＝13mm，凹形辐射贴片的左右两边的外竖线贴片的内高度为L₃＝11mm，凹形辐射贴片的左右两边的内竖线贴片的高度为L₄＝5mm。

3.根据权利要求1所述一种柔性基底的体表通信天线，其特征在于：所述柔性聚酰亚胺的基底的厚度为h＝50um，ε_r＝3.5,tanδ＝0.0027，铜片贴片的厚度为35um。

4.根据权利要求1所述一种柔性基底的体表通信天线，其特征在于：所述天线工作在双频段ISM 2.45GHz和ISM 5.8GHz。