CN106450728B - 一种基于pdms材料的柔性可穿戴双频单极子天线 - Google Patents

一种基于pdms材料的柔性可穿戴双频单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PDMS材料的柔性可穿戴双频单极子天线，介质基板由厚度为2mm的PDMS材料构成，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有馈电网络和辐射贴片，接地板设有三块，其中两块设在介质基板顶部，另一块设在介质基板底部；辐射贴片由U型辐射贴片、H型辐射贴片和矩形辐射贴片组成，H型辐射贴片设置在U型辐射贴片的中部且通过矩形辐射贴片与U型辐射贴片相连通；所述U型辐射贴片的两侧底部相对称地设有梯形结构。本发明天线可在2.32‑2.44GHz和3.1‑6GHz两个频段内收发信号，回波损耗均在‑10dB以下，电压驻波比小于2，阻抗匹配程度良好，同时保证了辐射方向图H面的全向性和E面的稳定性，满足柔性可穿戴和双频率工作的需求。

Description

一种基于PDMS材料的柔性可穿戴双频单极子天线
技术领域
本发明属于柔性可穿戴天线技术领域，具体的说，是涉及一种基于PDMS材料的柔性可穿戴双频单极子天线。
背景技术
近年来，诸如可穿戴设备，柔性微电子产品以及柔性集成电路等未来产业得到了社会的极大重视。为研制出可集成到柔性材料当中的无线通信系统，设计中对于柔性天线和柔性无源器件的需求有了极大的提升。基于不同柔性材料，诸如液晶高分子聚合物(LCP)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的多种天线设计已经被提出。这些材料有独特的射频特性，比如低的介电常数和损耗正切角。最近，聚二甲硅氧烷(PDMS)因为其优异的机械和电气性能成为众多有前景的柔性材料之一，用来制作天线的介质基板。大量的柔性天线技术已经被提出，有文献中已提出过用导电布制作出的纯纺织贴片天线。
此外，在无线通信领域中，双频技术的应用越来越广泛，对多频天线性能的要求也越来越高。例如，在移动通信领域,频谱资源变得越来越紧张。为了满足用户的快速增长的要求，天线的频段也从以前的GSM频段扩展到DCS&PCS频段，以至最近业务4G频段，除此之外广泛应用的还有Bluetooth、无线局域网频段,这些都要求手机等无线设备的天线具有双频、三频、甚至更多频率共用一个天线。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，为实现天线的柔性可穿戴功能和有效提高天线的利用率，提供一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的可穿戴双频柔性天线。通过PDMS材料的使用，使得天线辐射贴片在复杂的环境下可以随着介质基板的形变而形变并保持着正常的工作性能。此外，通过对辐射贴片形状与尺寸的不断修改和优化，天线可以在2.32-2.44GHz和3.1-6GHz两个频段内收发信号，有效缩减了可穿戴设备的尺寸。仿真结果表明，所设计的天线在两段工作频带中，回波损耗均在-10dB以下，电压驻波比小于2，阻抗匹配程度良好，同时保证了辐射方向图H面的全向性和E面的稳定性，满足柔性可穿戴和双频率工作的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于PDMS材料的柔性可穿戴双频单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，所述介质基板由厚度为2mm的PDMS材料构成，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有馈电网络和辐射贴片，所述接地板设有三块，其中两块设在介质基板顶部，另一块设在介质基板底部；所述辐射贴片由U型辐射贴片、H型辐射贴片和矩形辐射贴片组成，H型辐射贴片设置在U型辐射贴片的中部且通过矩形辐射贴片与U型辐射贴片相连通；所述U型辐射贴片的两侧底部相对称地设有梯形结构。
位于介质基板顶部的两块接地板间的距离为4mm。
所述U型辐射贴片的长和宽均为22mm。
所述介质基板的相对介电常数为2.65，损耗正切值为0.02。
所述介质基板的规格尺寸为24mm×38mm×2mm。
所述接地板的宽度为4mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明天线的谐振频率分别为2.4GHz和4GHz，2.4GHz处的回波损耗值为-32dB,而4GHz处的回波损耗也仅为-25dB，带宽为3.2-7GHz，性能强，满足柔性天线的功能要求，可以集成到衣物上进行可穿戴应用，从而提高了该天线的实用性。
2.本发明天线通过在辐射贴片上设置H型槽，影响了矩形辐射单元和接地板的电磁耦合以及电流的路径，因此该天线的输入阻抗以及谐振频率发生了变化。
3.本发明天线通过在在辐射贴片两端底部设置阻抗梯形结构，增加了天线的电流路径，并且增强了贴片的阻抗匹配，最终使得天线的带宽变宽，回波损耗值大大降低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的侧视结构示意图。
图3是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。
图4-1和图4-2分别是天线的辐射贴片只是矩形结构即作为原始天线时的结构示意图和其回波损耗随频率变化曲线图。
图5-1和图5-2分别是天线的辐射贴片引入U型结构时的结构示意图和其回波损耗随频率变化曲线图。
图6-1和图6-2分别是天线的辐射贴片引入H型结构和矩形结构时的结构示意图和其回波损耗随频率变化曲线图。
图7-1和图7-2分别是天线的辐射贴片引入梯形结构时的结构示意图和其回波损耗随频率变化曲线图。
图8-1和图8-2是本发明天线分别在2.4GHz和4GHz频率处的辐射方向图。
图9是本发明天线在不同弯曲程度下的回波损耗随频率变化曲线图。
附图标记：1-接地板2-介质基板3-馈电网络4-U型辐射贴片5-H型辐射贴片 6-矩形辐射贴片
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1至图2所示，一种基于PDMS材料的柔性可穿戴双频单极子天线，包括接地板1、介质基板2、馈电网络3和辐射贴片，PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃的。本实施例中选择了厚度为2mm的PDMS(εr＝2.65,tanδ＝0.02)材料作为介质基板2，介质基板2的相对介电常数为2.65，损耗正切值为0.02，辐射贴片以及接地板1皆采用铜材料。馈电网络3采用典型的微带线馈电结构，接地板1是由三块贴片构成，其中两块设在介质基板2顶部，另一块设在介质基板2的底部；天线的整体形状如图1所示，天线采用侧馈方式，输入阻抗为50Ω，很好的实现了阻抗匹配。
本实施例中的天线是通过蚀刻方法制作在规格尺寸为24mm*38mm*2mm的介质基板2上，接地板1刻蚀于介质基板2一侧，介质基板2的另一侧刻蚀有馈电网络3和辐射贴片，馈电网络3由微带线构成，辐射贴片由U型辐射贴片4、H型辐射贴片5和矩形辐射贴片6组成，H型辐射贴片5设置在U型辐射贴片4的中部且通过矩形辐射贴片6与U型辐射贴片4相连通；U型辐射贴片4的两侧底部相对称地设有梯形结构。
如图3所示为本发明天线经过优化设计后的具体的尺寸，参数如下：L＝22mm，L1＝6mm,W＝22mm，W1＝4mm,L2＝4mm,W2＝8mm,L3＝21mm,W3＝4mm,L4＝2mm,W4＝2mm,L5＝5mm,W5＝4mm,L6＝10mm，W6＝1.5mm,L7＝10mm，W7＝2.5mm，介质基板2厚度为2mm。
为了研究该天线的多频特性，分别设计了辐射贴片只是一个较大的矩形结构、辐射贴片为U型结构、辐射贴片引入H型结构和矩形结构以及辐射贴片引入梯形结构，并进行了仿真对比分析。作为柔性天线，要能够满足在发生形变时进行工作，因此在天线设计中，也将天线置于不同的曲度弯曲下进行测试，进而优化和得出最终的天线结构。
利用全波电磁仿真软件HFSS，分别对天线引入H型结构和矩形结构设计、阶梯形结构设计与优化、天线弯曲条件下性能测试三个方面进行了仿真和优化。
图4-1为未经任何修改优化过的平面单极子天线，其回波损耗随频率变化如图4-2所示。该天线最佳谐振频率为3.5GHz，在3-4.3GHz频段内的回波损耗小于-10dB，带宽为1.3GHz。
图5-1为在图4-1天线基础上对辐射贴片进行挖槽形成U型辐射贴片4后的平面单极子天线，其回波损耗随频率变化如图5-2所示。辐射贴片长度未发生变化，相当于是变为了宽度变小的辐射贴片，因此谐振频率会有所变化，谐振点由3.5GHz变为3.7GHz。此外，通过对天线尺寸进行进一步优化，使得天线的最低回波损耗下降到-53Db,工作带宽也拓宽至2.9-5.5GHz，使得天线在该频段内性能大幅度提升。
图6-1为在图5-1基础上引入多频设计即引入H型结构和矩形结构后的平面单极子天线，其回波损耗随频率变化如图6-2所示。通过在U型辐射贴片4内部增加H型辐射贴片5和矩形辐射贴片6结构使得天线在2.32-2.45GHz频段内也可发生谐振，在2.4GHz处回波损耗达到-18dB,可进行信号辐射，从而使该天线变为双频天线。H型辐射贴片5的引入，影响了矩形辐射贴片6和接地板1的电磁耦合以及电流的路径，因此该天线的输入阻抗以及谐振频率发生了变化，第二谐振点由3.7GHz变为3.9GHz，带宽也有所缩短，为3.2-5GHz。
图7-1为引入阶梯形结构进行优化后的天线，其回波损耗随频率变化如图7-2所示。通过在在U型辐射贴片4两端底部形成阻抗阶梯形结构，增加了天线的电流路径，并且增强了贴片的阻抗匹配，最终使得天线的带宽变宽，回波损耗值大大降低。可以看到，阶梯形结构的引入，使得天线在第一谐振频率2.4GHz处的回波损耗值降为-32dB,而第二谐振点变为4GHz，回波损耗也仅为-25dB，带宽增宽至3.2-7GHz，大大提高了性能。
图8-1和图8-2为该天线分别在2.4GHz和4GHz两个频率处的辐射方向图。
图9显示了本发明天线在不同的弯曲半径下回波损耗与工作频率的关系图。可以看出在半径为18mm时，天线回波损耗有所提升，第一谐振点和第二谐振点处回波损耗皆增为-20dB左右,带宽有所缩减，但是依然能够保证双频下的稳定工作。半径为14mm时，性能进一步降低，直至降到10mm时，第一谐振点频率已经偏移，回波损耗也大大提升，基本丧失工作能力。但是第二谐振点4.0GHz处还能保持工作性能，只是带宽缩减至3.2-4.8GHz。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的柔性可穿戴双频单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，其特征在于，所述介质基板由厚度为2mm的PDMS材料构成，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有馈电网络和辐射贴片，所述接地板设有三块，其中两块设在介质基板顶部，另一块设在介质基板底部；所述辐射贴片由U型辐射贴片、H型辐射贴片和矩形辐射贴片组成，H型辐射贴片设置在U型辐射贴片的中部且通过矩形辐射贴片与U型辐射贴片相连通；所述U型辐射贴片的两侧底部相对称地设有梯形结构，U型辐射贴片的底部与馈电网络相连。
2.根据权利要求1所述一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的柔性可穿戴双频单极子天线，其特征在于，位于介质基板顶部的两块接地板间的距离为4mm。
3.根据权利要求1所述一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的柔性可穿戴双频单极子天线，其特征在于，所述U型辐射贴片的长和宽均为22mm。
4.根据权利要求1所述一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的柔性可穿戴双频单极子天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为2.65，损耗正切值为0.02。
5.根据权利要求1所述一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的柔性可穿戴双频单极子天线，其特征在于，所述介质基板的规格尺寸为24mm×38mm×2mm。
6.根据权利要求1所述一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的柔性可穿戴双频单极子天线，其特征在于，三块接地板的宽度均为4mm。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110534886A (zh) * 2019-08-29 2019-12-03 江苏大学 一种基于pdms材料的柔性可穿戴微带贴片天线

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107425270A (zh) * 2017-06-29 2017-12-01 天津大学 一种柔性可穿戴特的小型化印刷超宽带单极子天线
CN109290679A (zh) * 2018-10-10 2019-02-01 南京理工大学 适于自动检测焊缝的激光焊接系统及其工作方法
CN109888452A (zh) * 2019-02-01 2019-06-14 永康国科康复工程技术有限公司 一种可拉伸天线及其制备方法
CN112397903A (zh) * 2020-11-10 2021-02-23 天津大学 一种用于穿戴式设备的柔性天线
CN113839197B (zh) * 2021-08-31 2023-01-31 电子科技大学 一种多频无线局域网wlan单极子天线

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1665067A (zh) * 2004-01-05 2005-09-07 三星电子株式会社 小型化的超宽带微带天线
WO2010086587A1 (en) * 2009-01-29 2010-08-05 The University Of Birmingham Multifunctional antenna
CN104681994A (zh) * 2013-11-27 2015-06-03 哈尔滨飞羽科技有限公司 基于渐变型台阶形结构的超宽带天线
CN204538228U (zh) * 2014-12-23 2015-08-05 哈尔滨飞羽科技有限公司 一种新型的开双l形槽的翼形超宽带天线
CN105119046A (zh) * 2015-09-10 2015-12-02 合肥工业大学 一种紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1665067A (zh) * 2004-01-05 2005-09-07 三星电子株式会社 小型化的超宽带微带天线
WO2010086587A1 (en) * 2009-01-29 2010-08-05 The University Of Birmingham Multifunctional antenna
CN104681994A (zh) * 2013-11-27 2015-06-03 哈尔滨飞羽科技有限公司 基于渐变型台阶形结构的超宽带天线
CN204538228U (zh) * 2014-12-23 2015-08-05 哈尔滨飞羽科技有限公司 一种新型的开双l形槽的翼形超宽带天线
CN105119046A (zh) * 2015-09-10 2015-12-02 合肥工业大学 一种紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110534886A (zh) * 2019-08-29 2019-12-03 江苏大学 一种基于pdms材料的柔性可穿戴微带贴片天线

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