CN110534886A - 一种基于pdms材料的柔性可穿戴微带贴片天线 - Google Patents

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李彦旭
邢警
王浩达
李星蓉
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Jiangsu University
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Abstract

本发明公开了一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，包括介质基板、辐射贴片、阻抗匹配传输线和接地板；介质基板由厚度为1mm的PDMS材料构成，介质基板的上侧设有辐射贴片和阻抗匹配传输线，接地板设于介质基板下侧；辐射贴片形状为圆形，它的中间挖出一个方形槽，下方中部挖出一个矩形槽；阻抗匹配传输线的上端与辐射贴片矩形槽的上端中部相连。通过HFSS对天线进行仿真，可得其覆盖ISM频段(5.725GHz‑5.875GHz)，满足无线通信的要求。本发明的柔性可穿戴天线具有小型化、易共形、便于穿戴等优点。

Description

一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线
技术领域
本发明属于柔性可穿戴天线技术领域，特别是涉及一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线。
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。目前市场上的智能穿戴产品主要有手环类产品、手表类产品、眼镜类产品和便携医疗设备类产品等。可穿戴设备的发展势不可挡，天线作为无线网络中发射和接收信号必不可少的设备必然成为了极其重要的研究关键点。
可穿戴天线的研究大致可以分为三方面：(一)可穿戴天线模型的研究。可穿戴天线要求具有小型化、易于贴合衣物和易于穿戴的优势，所以对于它的模型设计要求更加苛刻，寻找和创新出更加适合可穿戴天线的天线模型是设计可穿戴天线所必需的。(二)可穿戴天线的材料研究。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的需求有了极大的提升，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。(三)可穿戴天线和人体之间的相互影响。由于可穿戴天线是贴近人体工作的，所以考虑到天线的辐射对人体健康的影响，在设计中要尽量控制天线对人体的辐射伤害。
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，比如其低的介电常数和损耗角正切值。聚二甲硅氧烷(PDMS)因为其优异的机械和电气性能成为最有前景的柔性材料之一，特别适合用来制作天线的介质基板。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点与不足，实现天线的柔性可穿戴功能和有效提高天线的利用率，本发明提供了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的可穿戴微带贴片天线。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。仿真结果表明，在ISM频段(5.725GHz-5.875GHz)，回波损耗均在-10dB以下，电压驻波比小于1.5，阻抗匹配程度非常好，同时保证了辐射方向图H面的全向性和E面的稳定性，具有小型化、可穿戴的优势。
本发明的技术方案：一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，包括介质基板(1)、辐射贴片(2)、阻抗匹配传输线(3)和接地板(4)；介质基板(1)由PDMS材料构成，其上侧设有辐射贴片(2)和阻抗匹配传输线(3)，接地板(4)设于介质基板(1)下侧；辐射贴片(2)形状为圆形，它的中间挖出一个方形槽，辐射贴片(2)的圆形下方中部挖出一个矩形槽；阻抗匹配传输线(3)的上端与辐射贴片(2)矩形槽的上端中部相连。
进一步，所述的介质基板(1)厚度为1mm，半径为16mm。
进一步，所述的介质基板(1)为PDMS材料，相对介电常数为1.68，损耗角正切值为0.03。
进一步，方形槽的长度和宽度和阻抗匹配传输线(3)长度相等；且方形槽的宽度、矩形槽的宽度、阻抗匹配传输线(3)宽度比满足40：4：1。
进一步，所述的方形槽和矩形槽的圆形辐射贴片(2)半径r为9.4mm；方形槽的长度和宽度均为8mm；矩形槽的长度W2为3mm，宽度L3为0.8mm；所述的阻抗匹配传输线(3)长度W3为8mm，宽度L2为0.2mm。
进一步，所述接地板(4)的半径为16mm。
与现有技术相比，本发明的优势体现在：
1、本发明天线的谐振频率为5.829GHz，在谐振频率处的回波损耗值为-43.64dB，电压驻波比为1.0132，最大增益为3.15dB，带宽为5.720-5.909GHz，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开方形槽和矩形槽影响辐射单元和接地板的电磁耦合以及电流的路径，因此使得该天线的谐振频率点发生了变化。
3、本发明天线通过开方形槽使得电流的有效路径变大，从而减小天线的尺寸，符合可穿戴天线小型化的需求。
4、本发明天线通过调节辐射贴片下端矩形槽和阻抗匹配传输线的尺寸，当满足：方形槽的长度和宽度和阻抗匹配传输线长度相等；且方形槽的宽度、矩形槽的宽度、阻抗匹配传输线宽度比满足40：4：1时能够大大增强贴片的阻抗匹配，获得谐振频率点，使得天线的带宽变宽，从而极大的降低了回波损耗值。
附图说明
图1是本发明5.8GHz的柔性可穿戴微带贴片天线的三维结构图；
图2是本发明5.8GHz的柔性可穿戴微带贴片天线的结构尺寸图；
图3是本发明5.8GHz的柔性可穿戴微带贴片天线的回波损耗值S11；
图4是本发明5.8GHz的柔性可穿戴微带贴片天线的电压驻波比仿真结果；
图5是本发明5.8GHz的柔性可穿戴微带贴片天线的Smith圆图；
图6是本发明可穿戴微带贴片天线在设计频率f＝5.8GHz下的E面和H面的方向图；
具体实施方式
如图1所示，一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，包括介质基板(1)、辐射贴片(2)、阻抗匹配传输线(3)和接地板(4)；PDMS(聚二甲基硅氧烷)是一种惰性、无毒且不易燃的高分子有机硅化合物。本实施例中选择了厚度为1mm的PDMS材料作为介质基板，其相对介电常数为1.68，损耗角正切值为0.03；辐射贴片及接地板皆采用铜材料；阻抗匹配传输线(3)采用典型的微带线馈电结构。天线的三维结构图如图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半径为16mm的介质基板(1)上，接地板(4)蚀刻于介质基板的下侧，介质基板(1)的上侧蚀刻有辐射贴片(2)和阻抗匹配传输线(3)。辐射贴片(2)形状为圆形，它的中间挖出一个方形槽，下方中部挖出一个矩形槽；阻抗匹配传输线(3)的上端与辐射贴片(2)矩形槽的上端中部相连。
如图2所示为本发明天线经过优化设计后的具体尺寸，参数设计如下：R＝16mm，r＝9.4mm，L1＝8mm，W1＝8mm，L2＝0.2mm，W2＝3mm，L3＝0.8mm，W3＝8mm，介质基板(1)的厚度为1mm。
由于5.8GHz频段为世界各国共同的ISM频段，WiFi、Bluetooth、ZigBee等无线网络，其网络标准都选择工作在5.8GHz频段上。因此为了与工作于这个频段的无线网络设备更加便捷地互联，可穿戴天线选择工作在此频段上。
本实施例的柔性可穿戴微带贴片天线具有小型化、质轻便捷、易于共形、可穿戴等优势。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。同时为验证其工作性能，利用全波电磁仿真软件HFSS对其做如下仿真实验：
首先，提出天线性能参数需求：天线的中心频率为5.8GHz，驻波比VSWR<1.5,回波损耗值S11<-10dB。根据所需设计要求，提出了图1中的天线三维结构图，图2展示了天线的结构尺寸。在天线结构中通过在辐射贴片上开方形槽和矩形槽影响辐射单元和接地板的电磁耦合以及电流的路径，从而改变该天线的谐振频率点，其中通过开方形槽来增大电流有效路径从而减小天线的尺寸，再通过调节辐射贴片下端矩形槽和阻抗匹配传输线的尺寸，当满足：方形槽的长度和宽度和阻抗匹配传输线长度相等；且方形槽的宽度、矩形槽的宽度、阻抗匹配传输线宽度比满足40：4：1时能够大大增强贴片的阻抗匹配，获得谐振频率点，使得天线的带宽变宽，从而极大的降低了回波损耗值。
如图3所示为对本实施例的柔性可穿戴微带贴片天线结构进行优化后其在中心工作频率处的回波损耗图，其值为-43.64dB。
如图4所示是本实施例柔性可穿戴微带贴片天线的电压驻波比(VSWR)仿真结果，从图中可以看出，在中心频率处VSWR＝1.0132，其附近的VSWR都小于1.5。
如图5所示是本实施例柔性可穿戴微带贴片天线的Smith结果图，从图中可以看出在中心频率处的归一化阻抗为0.6187-0.0035i，达到了很好的匹配。
如图6所示是本实施例柔性可穿戴微带贴片天线在E面和H面的增益方向图，从图中可以看出在θ＝90°(即辐射贴片的最上方)时，获得最大增益为3.15dB。
综上，本发明的一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，包括介质基板、辐射贴片、阻抗匹配传输线和接地板；介质基板由厚度为1mm的PDMS材料构成，介质基板的上侧设有辐射贴片和阻抗匹配传输线，接地板设于介质基板下侧；辐射贴片形状为圆形，它的中间挖出一个方形槽，下方中部挖出一个矩形槽；阻抗匹配传输线的上端与辐射贴片矩形槽的上端中部相连。通过HFSS对天线进行仿真，可得其覆盖ISM频段(5.725GHz-5.875GHz)，满足无线通信的要求。本发明的柔性可穿戴天线具有小型化、易共形、便于穿戴等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，其特征在于，包括介质基板(1)、辐射贴片(2)、阻抗匹配传输线(3)和接地板(4)；介质基板(1)由PDMS材料构成，其上侧设有辐射贴片(2)和阻抗匹配传输线(3)，接地板(4)设于介质基板(1)下侧；辐射贴片(2)形状为圆形，它的中间挖出一个方形槽，辐射贴片(2)的圆形下方中部挖出一个矩形槽；阻抗匹配传输线(3)的上端与辐射贴片(2)矩形槽的上端中部相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，其特征在于，所述的介质基板(1)厚度为1mm，半径为16mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，其特征在于，所述的介质基板(1)为PDMS材料，相对介电常数为1.68，损耗角正切值为0.03。
4.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，其特征在于，方形槽的长度和宽度和阻抗匹配传输线(3)长度相等；且方形槽的宽度、矩形槽的宽度、阻抗匹配传输线(3)宽度比满足40：4：1。
5.根据权利要求4所述的一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，其特征在于，所述的方形槽和矩形槽的圆形辐射贴片(2)半径r为9.4mm；方形槽的长度和宽度均为8mm；矩形槽的长度W2为3mm，宽度L3为0.8mm；所述的阻抗匹配传输线(3)长度W3为8mm，宽度L2为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的柔性可穿戴微带贴片天线，其特征在于，所述接地板(4)的半径为16mm。
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