CN113594673A - 一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线 - Google Patents

一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线 Download PDF

Info

Publication number
CN113594673A
CN113594673A CN202110801315.6A CN202110801315A CN113594673A CN 113594673 A CN113594673 A CN 113594673A CN 202110801315 A CN202110801315 A CN 202110801315A CN 113594673 A CN113594673 A CN 113594673A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
composite
life jacket
substrate
flexible
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110801315.6A
Other languages
English (en)
Inventor
张义红
金孟宇
李德敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Donghua University
Original Assignee
Donghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Donghua University filed Critical Donghua University
Priority to CN202110801315.6A priority Critical patent/CN113594673A/zh
Publication of CN113594673A publication Critical patent/CN113594673A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/273—Adaptation for carrying or wearing by persons or animals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

本发明涉及一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，包括：复合柔性基板(1)、辐射天线(2)和接地板(3)，所述的复合柔性基板(1)贴合在救生衣上，所述的辐射天线(2)和接地板(3)共面设置在复合柔性基板(1)的一侧表面上。与现有技术相比，本发明复合微波基板柔性天线拥有足够宽的带宽及良好的性能，解决了当前微带天线低仰角增益低，体积大，不容易携带在智能救生衣上的问题。

Description

一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，尤其是涉及一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线。
背景技术
随着科学技术的发展、各国经济的增强，我国海洋经济规划的提出和军事海域活动范围的扩大，海洋捕捞、海洋运输、军事巡视等海面海空活动增多，这些活动中难免会出现各种各样的事故，对于事故人员、船只的搜救和定位等应急处理，需要在最短的时间内得到有效救援或控制，陆上力量能否快速查明情况，精确定位、多维智能决策并有效开展搜救是处理事故的关键。目前国内虽然已有很多基于北斗和GPS的海面应急救援系统的研究，比如结合北斗卫星导航系统发展现状，将原本孤立的技术、成果综合起来，并引入北斗报文服务系统最新技术成果，形成综合化的海面搜救体系。考虑到北斗一代卫星定位芯片短报文信息收发的延时性和海面第一仰角通信效果差的因素，现有的海面救援系统和相关研究智能性和有效性都有待增强，难以在海面复杂多变的环境下对海面救援目标实时精确动态定位与实时跟踪。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，包括：复合柔性基板、辐射天线和接地板，所述的复合柔性基板贴合在救生衣上，所述的辐射天线和接地板共面设置在复合柔性基板的一侧表面上。
优选地，所述的复合微波基板柔性天线采用共面波导馈电的馈电方式。
优选地，所述的复合柔性基板由聚苯醚树脂作基体、高介电常数和低介电损耗的陶瓷粉体作填料制备而成。
优选地，所述的辐射天线采用多馈点设计使得辐射天线的相位中心和几何中心重合。
优选地，所述的辐射天线位于复合柔性基板的中央位置，所述的接地板沿复合柔性基板的边缘设置，所述的接地板将所述的辐射天线包围其中。
优选地，所述的辐射天线外轮廓设计若干阶梯形状。
优选地，所述的接地板设置与所述的辐射天线所对应的阶梯形状。
优选地，所述的辐射天线和接地板通过3D打印技术设置在复合柔性基板上。
优选地，所述的复合柔性基板贴合在救生衣上位于后颈部位置处。
优选地，所述的陶瓷粉体通过喷雾造粒工艺制备。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明复合柔性基板兼具高介电常数和低介电损耗的特点，能够有效地降低界面介电损耗，保证在低仰角增益高的情况下，又能减少微型天线的体积，发挥微带天线柔性化和可穿戴性的特点，使天线便于携带在智能救生衣上，同时提高导航定位的精度。通过优化喷雾造粒工艺，批量制备兼具高介电常数和低介电损耗的陶瓷填料，设计一种贴合在救生衣上的高介电、低损耗的微波复合材料的柔性天线。该天线与以往的微带天线不同，低仰角增益高，可以接收到更多的北斗导航定位信息，采用多馈点设计，保证天线相位中心和几何中心的重合，提高北斗导航定位精度。同时体积小，重量轻，能够贴合在智能救生衣上。综合微带天线与救生衣结合时的弯曲方向、穿戴位置和人体不同组织的介电常数对微带天线的影响，天线选择在智能救生衣的后颈部位置安装，保证天线永远处于最高的位置，能更好的接收信号。
附图说明
图1为传统微带天线的结构示意图；
图2为本发明贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线的结构示意图；
图3为本发明贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线弯曲状态下的示意图。
图中，1为复合柔性基板，2为辐射天线，3为接地板，4为介质基体，5为金属贴片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，微带天线结构形式是由带接地板3的介质基体4上加导体薄膜形成。微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、并且可与载体共型、易于有源电路和印刷器件集成等优点。传统的微带天线是二维平面上的金属贴片5结构。
针对高频微波基板这类通讯领域的基础，研究并掌握高介电、低损耗陶瓷填料的性能调控与批量化制备方法。阐明高频微波基板界面介电损耗的调控机制，通过构建基板介电常数的理论计算模型，实现介电常数系列化微波基板的设计与验证，并将柔性天线贴合在救生衣上应用于北斗导航领域。为了解决当前微带天线低仰角增益低，体积大，不容易携带在智能救生衣上等问题，本发明对以往的微带天线进行改进，通过多馈点设计，并采用新颖的3D打印技术来实现特殊的天线结构。
本发明的目的是设计一种能够贴合在救生衣上的高介电、低损耗的复合微波基板柔性天线，基于以Ba4Sm9.33Ti18O54(BST)和Ca0.7La0.2TiO3(CLT)陶瓷为基础，研究受主掺杂(MgO、Al2O3、Ga2O3等)对含Ti4+离子的高介陶瓷高温烧结抑制还原的作用机理和对介电常数、介电损耗的影响规律。在此基础上，通过优化喷雾造粒工艺，批量制备兼具高介电常数和低介电损耗的陶瓷填料，设计一种贴合在救生衣上的高介电、低损耗的微波复合材料的复合柔性基板1，并利用3D打印技术来实现特殊的天线结构，以贴合在救生衣上。
具体技术方案是：构建一种大粒径的球形陶瓷粉体作为填料，提高基板的综合性能。通过减少界面数量达到减弱界面极化的作用以及提高粉体在聚苯醚基体中的分散性，获得性能一致性优异的微波基板。此外使用高性能微波基板材料，使得天线结构能够弯曲，与救生衣相结合，并与救生衣能够共形。综合微带天线与救生衣结合时的弯曲方向、穿戴位置和人体不同组织的介电常数对微带天线的影响，天线选择在智能救生衣的后颈部位置安装，保证天线永远处于最高的位置，能更好的接收信号。
在复合柔性基板1的基础上设计一种能附着在智能救生衣上的辐射天线2，该辐射天线2具有低仰角增益高，体积小，重量轻，损耗低的特点。通过采用多馈点设计，保证天线相位中心和几何中心的重合，来提高北斗导航的定位精度。
采用聚苯醚树脂作基体、高性能陶瓷粉体作填料，制备介电常数系列化的高频微波基板。对于基板介电性能计算，通常最关心的是微波介质基板材料在X波段(8GHz-12GHz)下的介电性能参数指标，即介电常数Dk、损耗因子Df。鉴于微波复合基板主要由树脂和陶瓷填料组成，研究人员常用对数混合公式估算复合基板的介电常数，如式(1)所示。式中，e、e1和e2分别为复合基板、树脂和陶瓷填料的介电常数，V为陶瓷填料的体积分数。
lnε＝(1-V)lnε1+Vlnε2 (1)
从式(1)中可以推断，提高陶瓷填料的体积分数和介电常数是制作基于高频微波基板的高性能柔性天线更直接、有效的途径。考虑到陶瓷填料的密度通常在3.5g/cm3以上，比树脂的密度大得多；过高的填充比例容易导致陶瓷填料团聚或沉降，无法获得性能一致性好的基板，因此陶瓷相的体积分数一般不超过50％。另一方面，陶瓷填料的介电常数分布较宽，采用高介电常数的陶瓷填料如：TiO2、CaTiO3、Ba4Sm9.33Ti18O54、CaO-Li2O-Sm2O3-TiO2等能大幅提高高频微波基板的介电常数。
介电损耗(tgδ)是高频微波基板的关键参数。基板的介电损耗主要来源于树脂的介电损耗(tgδ1)、陶瓷填料的介电损耗(tgδ2)和树脂/陶瓷界面的介电损耗(tgδi)。树脂作为基体，所占体积分数大，其介电损耗决定了基板的损耗水平，需优先考虑。目前大部分高频基板均选用聚四氟乙烯为基体，因其在10GHz的高频下仍具有极低的介电损耗。陶瓷相的介电损耗与物相组成、结构、微观形貌、离子极化率等因素有关，但是几乎不受频率变化的影响。高介电常数陶瓷填料因其内部的离子极化率较高，导致介电损耗的显著增加。PS/LMS复合基板的介电损耗显著增加的主要原因是随着陶瓷相填充比例的增加，界面数量和内部气孔明显增加，导致界面介电损耗的急剧增加。因此，我们合理地将陶瓷相填充比例设定在最优性能处。
天线由四部分组成，分别为：阶梯辐射贴片、微带馈线、复合柔性基板1和接地板3，阶梯辐射贴片、微带馈线构成本发明的辐射天线2。天线采用的是共面波导馈电的方式，介质基板采用辐射贴片和接地板3共面的特殊版式，接地板3是与贴片等宽度的，介质基板由树脂和陶瓷填料复合形成的聚苯醚基高频微波基板。在一定范围内，微带天线的工作带宽会随着天线介质基板的厚度增加而增加。在HFSS下进行仿真，通过对比天线在不同厚度下回波损耗，确定微波基板的带宽。
通过高频仿真软件HFSS对微带天线进行仿真设计，天线的工作频段选取GPS第一频带；天线基材分别选用本发明研制的多型高频微波基板以及罗杰斯RT5880基板；通过对比设计天线的各项性能指标，验证本发明的研究成果高频微波基板在微带天线的小型化、低损耗等方面所具有的优势。为本发明制作的基于高频微波基板的高性能柔性天线提供可行性验证。
本发明使用柔性可穿戴天线贴合在救生衣上，天线在贴合过程中不可避免地会发生弯曲，织物天线在弯曲状态下其性能能够满足要求具有重要意义。基于HFSS对微带天线进行仿真设计,建立基于复合微波基板柔性天线的仿真模型。将柔性天线沿着X轴和Y轴方向弯曲，其中心频率会沿低频方向发生轻微偏移，但仍能满足应用需求。
描述天线性能的参数有带宽、电压驻波比、辐射方向图、增益、回波损耗等。在某些应用中，卫星数量比较多，可能分布在各个仰角上。比如说导航天线，希望尽量收到更多的卫星信号以提高定位精度，缩短定位时间，所以对接收天线的仰角增益有要求。仰角大可以缓解多径衰落和遮蔽问题，提高链路质量，但是同时意味着覆盖面小。所以需要综合考虑覆盖率和仰角特性来定最优配比。根据微带天线的基本原理，微带天线的中心频率取决于天线的有效电流长度与基板的有效介电常数，其表达式为：
Figure BDA0003164694620000051
其中，Leff＝L+2ΔL(L＞＞ΔL)，L为天线长度，ΔL为天线补偿长度；εreff为有效介电常数。
为实现天线在小尺寸下达到低频谐振的目的，在天线贴片表面开槽，增加天线表面的电流路径，从而增加天线的等效长度，最终降低天线的中心频率。由于天线的工作环境和形变会导致天线谐振频率偏移，因此可穿戴天线需较长的带宽以保证天线性能。本发明采用共面波导馈电的馈电方式有效增加天线的带宽，并利用曲流技术，即在辐射贴片上开槽，增加天线电流长度，从而降低天线中心频率。
本发明研究的天线要满足工作温度在-40℃到+60℃之间，储存温度在-40℃到+70℃之间。湿热方面满足GJB150.9A-2009规定的湿热试验要求。振动方面满足GJB150.16A－2009环境试验方法振动试验中规定的振动条件。冲击方面要求能承受GJB150.18中“实验五基本设计试验”半正弦波，峰值加速度20m/s2，脉冲持续时间11ms的冲击，而具有保持结构和性能完好的能力，两次冲击间隔时间60ms。
如图2所示，本发明通过引入阶梯结构，使得天线的带宽得到了有效的扩展，接地板形状对于天线的带宽也具有重要影响，微带天线的接地板越短，其带宽往往越宽，但是其增益也会随之降低，这也体现了带宽和增益二者相互矛盾的本质。我们研究发现当接地板与辐射片呈包围结构可以改善接地板与辐射贴片之间的耦合，会有较增大带宽。本发明在保持接地板长度不变的前提下，通过改善接地板的结构，提升接地板与辐射单元之间的耦合，来有效增加天线的带宽。
在天线设计中，通过引入阶梯结构，使得天线贴片上的电流分布发生较大变化，增加了表面电流长度，进而影响了天线的阻抗匹配。此外，阶梯结构的存在，使得辐射单元结构变得复杂，出现尺寸不同的辐射结构，从而增加天线的阻抗带宽。此外，天线接地板的形状结构也会影响天线的带宽。本发明通过在接地板上引入与辐射单元轮廓对应的阶梯结构来增大带宽，两部分共同改造，使天线拥有足够宽的带宽及良好的性能。
如图3所示，本发明中使用高性能微波基板材料，使得天线结构能够弯曲，与救生衣相结合，并与救生衣能够共形。由于天线弯曲会导致贴片表面电流分布改变，使得天线性能下降，因此在微带天线设计的过程中，需要针对弯曲进行特殊优化。共面波导技术馈电可以有效增加天线的带宽，提高天线在弯曲时的性能和可靠性。与此同时，由于人体的电阻抗特性，人体在电场中产生的介质极化效应，也会对天线产生一定的影响。综合微带天线与救生衣结合时的弯曲方向、穿戴位置和人体不同组织的介电常数对微带天线的影响，天线选择在智能救生衣的后颈部位置安装，保证天线永远处于最高的位置，能更好的接收信号。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，包括：复合柔性基板(1)、辐射天线(2)和接地板(3)，所述的复合柔性基板(1)贴合在救生衣上，所述的辐射天线(2)和接地板(3)共面设置在复合柔性基板(1)的一侧表面上。
2.根据权利要求1所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的复合微波基板柔性天线采用共面波导馈电的馈电方式。
3.根据权利要求1所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的复合柔性基板(1)由聚苯醚树脂作基体、高介电常数和低介电损耗的陶瓷粉体作填料制备而成。
4.根据权利要求1所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的辐射天线(2)采用多馈点设计使得辐射天线(2)的相位中心和几何中心重合。
5.根据权利要求1所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的辐射天线(2)位于复合柔性基板(1)的中央位置，所述的接地板(3)沿复合柔性基板(1)的边缘设置，所述的接地板(3)将所述的辐射天线(2)包围其中。
6.根据权利要求1所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的辐射天线(2)外轮廓设计若干阶梯形状。
7.根据权利要求6所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的接地板(3)设置与所述的辐射天线(2)所对应的阶梯形状。
8.根据权利要求1所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的辐射天线(2)和接地板(3)通过3D打印技术设置在复合柔性基板(1)上。
9.根据权利要求1所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的复合柔性基板(1)贴合在救生衣上位于后颈部位置处。
10.根据权利要求3所述的一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线，其特征在于，所述的陶瓷粉体通过喷雾造粒工艺制备。
CN202110801315.6A 2021-07-15 2021-07-15 一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线 Pending CN113594673A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110801315.6A CN113594673A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110801315.6A CN113594673A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113594673A true CN113594673A (zh) 2021-11-02

Family

ID=78247699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110801315.6A Pending CN113594673A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113594673A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023132813A3 (en) * 2022-01-10 2023-08-10 Okatan Ali Microstrip patch antenna with concave bottom layer on two sides

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102064384A (zh) * 2010-11-05 2011-05-18 哈尔滨工程大学 一种超宽带天线
CN103351578A (zh) * 2013-07-19 2013-10-16 广东生益科技股份有限公司 一种用于形成天线用的介质基板的介质层的树脂组合物及其用途
US20170324138A1 (en) * 2016-05-06 2017-11-09 GM Global Technology Operations LLC Dualband flexible antenna with segmented surface treatment
CN207559060U (zh) * 2017-12-11 2018-06-29 吉林医药学院 一种具有非闭合地板的n形终端平面缝隙天线
CN111799552A (zh) * 2020-07-23 2020-10-20 河北工业大学 一种低成本嵌入式可穿戴天线
CN113078448A (zh) * 2021-03-31 2021-07-06 湖南大学 一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102064384A (zh) * 2010-11-05 2011-05-18 哈尔滨工程大学 一种超宽带天线
CN103351578A (zh) * 2013-07-19 2013-10-16 广东生益科技股份有限公司 一种用于形成天线用的介质基板的介质层的树脂组合物及其用途
US20170324138A1 (en) * 2016-05-06 2017-11-09 GM Global Technology Operations LLC Dualband flexible antenna with segmented surface treatment
CN207559060U (zh) * 2017-12-11 2018-06-29 吉林医药学院 一种具有非闭合地板的n形终端平面缝隙天线
CN111799552A (zh) * 2020-07-23 2020-10-20 河北工业大学 一种低成本嵌入式可穿戴天线
CN113078448A (zh) * 2021-03-31 2021-07-06 湖南大学 一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GÓMEZ 等: "Ultra-Thin Compact Flexible Antenna for IoT Applications", 《2019 13TH EUROPEAN CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION (EUCAP)》 *
张馨心 等: "CPW馈电的超宽带天线设计", 《压电与声光》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023132813A3 (en) * 2022-01-10 2023-08-10 Okatan Ali Microstrip patch antenna with concave bottom layer on two sides

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103151606B (zh) 一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线
CN101281998B (zh) 一种毫米波段宽带圆柱共形4×4微带天线
CN112117532B (zh) 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元
Laheurte Compact antennas for wireless communications and terminals: theory and design
CN103700932A (zh) 一种小型化甚高频单极子类型天线
CN110165408A (zh) 一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线
CN113594673A (zh) 一种贴合在救生衣上的复合微波基板柔性天线
CN102769183B (zh) 应用于北斗系统的四螺旋分布加载振子微带天线
CN104821426A (zh) 一种环-振子组合天线
CN101540435A (zh) S波段树枝状左手材料微带天线
CN103840267A (zh) 基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线
CN210443662U (zh) 新型k波段高增益超材料微带天线
CN113497358B (zh) 一种低仰角增益增强的宽角双圆极化天线及设备
CN203085760U (zh) 一种多频段分形双频微带天线
CN101702468A (zh) 宽带圆极化平面缝隙四元天线阵
CN112003029B (zh) 平板缝隙阵列天线、雷达、无线通信系统、毫米波天线
CN102157789B (zh) 带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线
Xu Broadband microstrip antenna overview
Murugan et al. Design of wideband circularly polarized capacitive fed microstrip antenna
Yerrola et al. High gain Beam Steering Antenna Arrays with Low scan Loss for mmWave Applications
CN208690501U (zh) 基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统
CN105305086A (zh) 一种抗干扰微带阵列天线
CN113054418A (zh) 一种堆叠式微带天线阵
Jin et al. Monopulse substrate integrated waveguide collinear slot antenna array
CN110867645A (zh) 微带阵列天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211102