CN109904591A

CN109904591A - 一种低阻抗可形变柔性平面螺旋天线

Info

Publication number: CN109904591A
Application number: CN201910176228.9A
Authority: CN
Inventors: 潘泰松; 戴令亮; 陈思宏; 林媛
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: CN109904591B

Abstract

本发明属于柔性天线技术领域，具体提供一种可形变的低阻抗柔性平面螺旋天线，包括柔性介质基底、以及设置于柔性介质基底上的天线辐射体，天线辐射体由宽度相同的等角螺旋线和自补型阿基米德螺旋线相连构成。本发明柔性平面螺旋天线具有拉伸性和形变能力，能够贴附于(如气球)球体表面，且形变后天线性能保持不变。本发明采用等角螺旋线降低天线本身的输入阻抗，柔性平面螺旋天线能够在形变后依旧在频率1.5GHz～4.5GHz上保持回波损耗小于‑10dB，轴比小于4，增益不小于3.5dB。

Description

一种低阻抗可形变柔性平面螺旋天线

技术领域

本发明属于柔性天线技术领域，具体涉及一种可形变的低阻抗柔性平面螺旋天线。

背景技术

天线作为无线信号的发射和接收器件，一直是无线网络技术的重要研究对象；随着柔性电子器件的发展，传统的硬质天线因为在一定程度上无法适应柔性可穿戴设备而受到局限；而且硬质天线往往体积大、质量大，占用了很多空间并且不易携带。在此背景下，目前需要在传统硬质天线的基础上开发出新的柔性天线来适应现在的可穿戴设备、健康医疗用品等柔性电子器件；柔性天线不仅可以实现小型化，不占用过多的空间，而且可以实现一定程度的拉伸，不易损坏，这样既保证了信号的收发与接收也能方便携带。

柔性天线的制作一方面是从天线的材料着手，另一方面是找到适合的天线结构。目前，已经有很多成熟的柔性材料可以作为制作天线的材料，比如液体金属、金属丝线、碳纳米管、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PI(聚酰亚胺)等；天线往往采用单极子天线、偶极子天线和微带贴片天线等结构，将柔性基底材料与液态金属结合起来就能制作出柔性天线。但是对于这些天线结构，天线的工作频率与辐射振子的电长度有关，因此这些柔性天线在形变后会导致频率的变化，而在很多应用中需要天线在形变后依旧保持频率不变，所以要找到一个合适的非频变天线也是十分重要的。

阿基米德螺旋天线是1954年由特纳提出的具有宽频带圆极化特性的一种平面天线，它的结构简单，并且工作频率主要由天线的尺寸决定。自补型阿基米德螺旋天线的输入阻抗为188.5欧姆，对于硬质天线，平面阿基米德螺旋天线可以与巴伦阻抗变换器相连来解决阻抗的变换，但是对于柔性天线，传统巴伦平衡器无法与柔性天线相连，因为这会致使柔性天线失去柔韧性与拉伸性。因此，从平面螺旋天线本身的结构入手来降低天线的阻抗是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提供一种低阻抗可形变的柔性平面螺旋天线；本发明柔性平面螺旋天线的尺寸不大于400mm×400mm，工作频率为1.5GHz～4.5GHz，回波损耗S11小于-10dB，天线在形变后依旧可以在频率1.5GHz～4.5GHz上保持回波损耗小于-10dB，轴比小于4，增益不小于3.5dB。

为了实现以上目的，本发明采用技术方案为：

一种低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，包括：柔性介质基底、以及设置于柔性介质基底上的天线辐射体；其特征在于，所述天线辐射体由内、外两部分组成，内部分为等角螺旋线，外部分为自补型阿基米德螺旋线；所述等角螺旋线与自补型阿基米德螺旋线相连、且宽度相同。

进一步的，所述天线辐射体采用SMA接头馈电，所述SMA接头与等角螺旋线的两个内螺线臂直接焊接。

进一步的，所述等角螺旋线的宽度为1～1.5mm，起始内径为1～2mm，角变换率为0.2～0.22，圈数为2～3圈。

进一步的，所述自补型阿基米德螺旋线的宽度为1～1.5mm，圈数为3～4圈。

进一步的，所述天线辐射体由柔性覆铜PI(聚酰亚胺)材料制作而成，其厚度为15～20um。

进一步的，所述柔性介质基底采用PDMS材料制作而成，其厚度为1～1.5mm。

进一步的，所述柔性平面螺旋天线的上表面采用PDMS材料进行封装，其厚度为0.25～0.75mm。

进一步的，所述柔性平面螺旋天线具有拉伸性和形变能力，能够贴附于(如气球)球体表面，且形变后天线性能保持不变。

需要说明的是，本发明中，天线辐射体由内、外两部分组成，所述内部分是指靠近螺旋天线中心的部分，所述外部分是指靠近螺旋天线边缘的部分；根据等角螺旋线的阻抗变换能力，在阿基米德螺旋天线之前接入了宽度相同的等角螺旋线，用以降低天线本身的输入阻抗，并且直接连接SMA接头进行馈电。天线本身都使用柔性的介质材料和导电材料制作，实现了天线柔性化的特点；柔性材料本身具有的形变能力与天线辐射体的结构也实现了天线形变前后性能的稳定性。

本发明的有益效果在于：

1)本发明采用了柔性的材料制作基底和柔性的金属复合材料制作天线辐射体，并且天线结构本身具有形变能力，从而使得天线的整体具有良好的柔性与拉伸性；

2)本发明利用了等角螺旋线降低了天线的阻抗，使得柔性天线不需要通过硬质巴伦来实现阻抗变化，同时利用了非频变天线的特性保证了设计天线的性能；

3)本发明形变前和形变后都能在1.5GHz～4.5GHz的频带范围内保持回波损耗小于-10db，具有超宽的带宽，且增益不小于3.5dB，同时保证了无线信号发射和接收的强度，具有良好的实用性。

附图说明

图1为本发明低阻抗可形变柔性平面螺旋天线的结构示意图；

图2为本发明低阻抗可形变柔性平面螺旋天线的实物形变展示图；

图3为本发明低阻抗可形变柔性平面螺旋天线的形变力学仿真图；

图4为本发明低阻抗可形变柔性平面螺旋天线的阻抗仿真曲线坐标图；

图5为本发明低阻抗可形变柔性平面螺旋天线的轴比曲线坐标图；

图6为本发明低阻抗可形变柔性平面螺旋天线形变前和形变后的测试回波损耗(S11)曲线坐标图；

其中，10为柔性介质基底，20为天线辐射体，201为等角螺旋线，202为自补型阿基米德螺旋线，30为SMA接头。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其结构如图1、图2所示，包括：柔性介质基底10、以及设置于柔性介质基底上的天线辐射体20；所述天线辐射体20由内部分的等角螺旋线201和外部分的自补型阿基米德螺旋线202相连组成；

其中，等角螺旋线201满足以下关系：

其中，r₀为等角螺旋线的起始内径、r₀＝1.5mm，a₁为等角螺旋线的角变换率、a₁＝0.22，Ф为等角螺旋线的角度、Ф＝4π(即为2圈)，所得等角螺旋线部分总半径为24.8mm；

其中，阿基米德螺旋线202满足以下关系：

其中，r为阿基米德螺旋线的起始内径、r＝23.8mm，a₂为阿基米德螺旋线的角变换率、a₂＝2/π，为阿基米德螺旋线的角度、(即为3圈)，所得阿基米德螺旋线部分总半径为37.8mm；

本实施例中，天线辐射体20由AutoCAD软件绘制而成，并利用热释放胶带(TRT)、柔性覆铜PI(聚酰亚胺)板、小型切割机切割雕刻而成，此时天线辐射体粘附于热释放胶带上待用；使用柔性PDMS材料制作一个半径为400mm，厚度为1mm的圆形介质基底10于培养皿中，将上述的热释放胶带加热释放后利用硅脂胶将天线辐射体20粘附于PDMS介质基底10上；将SMA接头30的内芯与外壁分别焊接到等角螺旋线201的两个内螺线臂上，静置一会后再往培养皿中倒入0.5mm厚的PDMS材料进行封装；将培养皿放在60℃的烘箱里烘干一小时后即可制作出天线实物。

本实施例中，制作出的天线实物体积不大，质量很轻且具有良好的柔韧性，天线实物的弯曲图如图2所示。

如图3所示，给出了天线辐射体20部分在气球上形变的力学仿真图，由图可以看出本发明的柔性天线在水平面和垂直面上都可以拉伸形变；力学仿真保证了天线形变的力学可靠性。

如图4所示，给出了本发明设计天线的输入阻抗仿真图，由图可以看出通过在阿基米德螺旋天线前半部分接入一定宽度的等角螺旋线的确降低了整个天线的输入阻抗，使得此款柔性天线无需硬质巴伦结构实现阻抗变换。

如图5所示，给出了本发明设计天线的轴比对频率的曲线坐标图，由图可以看出此款天线在工作频段1.5GHz～4.5GHz的轴比小于4dB，满足圆极化辐射的要求，也说明了接入的等角螺旋线对天线的圆极化辐射影响不大。

如图6所示，给出了本发明天线在形变前和形变后的回波损耗(S11)侧视图，从图中可以看出此款天线形变前和形变后都能在频率1.5GHz～4.5GHz保持S11小于-10dB，展示出良好的宽带特性与形变后保持原有天线特性的稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，包括：柔性介质基底、以及设置于柔性介质基底上的天线辐射体；其特征在于，所述天线辐射体由内、外两部分组成，内部分为等角螺旋线，外部分为自补型阿基米德螺旋线；所述等角螺旋线与自补型阿基米德螺旋线相连、且宽度相同。

2.按权利要求1所述低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其特征在于，所述天线辐射体采用SMA接头馈电，所述SMA接头与等角螺旋线的两个内螺线臂直接焊接。

3.按权利要求1所述低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其特征在于，所述等角螺旋线的宽度为1～1.5mm，起始内径为1～2mm，角变换率为0.2～0.22，圈数为2～3圈。

4.按权利要求1所述低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其特征在于，所述自补型阿基米德螺旋线的宽度为1～1.5mm，圈数为3～4圈。

5.按权利要求1所述低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其特征在于，所述天线辐射体由柔性覆铜PI(聚酰亚胺)材料制作而成，其厚度为15～20um。

6.按权利要求1所述低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其特征在于，所述柔性介质基底采用PDMS材料制作而成，其厚度为1～1.5mm。

7.按权利要求1所述低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其特征在于，所述柔性平面螺旋天线的上表面采用PDMS材料进行封装，其厚度为0.25～0.75mm。

8.按权利要求1～7任一所述低阻抗可形变柔性平面螺旋天线，其特征在于，所述柔性平面螺旋天线具有拉伸性和形变能力，能够贴附于球体表面，且形变后天线性能保持不变。