CN114243270A - 一种加载高磁介材料的小型化柔性天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种加载高磁介材料的小型化柔性天线，包括底层柔性介质基板、天线金属层和高磁介柔性材料，天线金属层设置在底层柔性介质基板的顶面，高磁介柔性材料贴在天线金属层的上方。相比用于同频段的传统陶瓷天线，本发明具有柔性可共形的优势，更易集成于不规则形状的无线通信系统中，而且天线单面印刷电路，便于加工，天线剖面低且重量轻，小型化优势明显；相比于传统的柔性天线，本发明突破性地引入高磁介柔性材料，在天线面积有效缩减80％的同时，还进一步扩展工作带宽，能够覆盖全球UHF RFID频段，克服柔性微带天线设计尺寸过大，带宽较窄的瓶颈问题。因此，本发明完全满足于柔性小型化无线设备技术领域的应用。

Description

一种加载高磁介材料的小型化柔性天线
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种加载高磁介材料的小型化柔性天线。
背景技术
近年来，无线通信和物联网技术发展迅速，射频识别技术(RFID)已经成为关注热点，而随着体域网的提出，柔性可穿戴无线通信系统正逐渐成为国内外的研究趋势，也衍生出大量可穿戴电子设备。在可穿戴电子设备设计中整个系统的便携性以及柔性设备的共形性十分重要，射频天线作为无线通信系统中收发信号的的关键元件，针对其共形性以及小型化的迫切需求已经成为无线通信系统中的关键问题。
在传统工艺中，利用现有柔性材料作为基板，针对超高频射频识别频段(UHFRFID)所制作的超高频柔性微带天线，都面临着天线尺寸大的设计瓶颈。微带天线的尺寸与波长成正比，电磁波在介质内的有效波长
Figure BDA0003407846020000011
其小型化因子
Figure BDA0003407846020000012
基于上诉理论发展出采用高介电常数陶瓷材料作为天线基板以实现小型化的方法。但采用高介电常数陶瓷材料设计天线也存在诸多缺陷，因为微带天线的带宽本身较窄，而采用高介电常数材料实现天线小型化，将在介质区域内加大对电磁波的束缚，造成天线工作带宽进一步变窄，天线性能明显降低，使得天线的阻抗匹配情况恶化。由此可见，采用现有高介电常数的材料难以在实现柔性天线小型化的同时覆盖全球的UHF RFID频段(840～960MHz)。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种加载高磁介材料的小型化柔性天线，以解决现有的UHF RFID柔性天线尺寸大、带宽窄的技术问题，在实现显著小型化的同时，对天线工作带宽实现有效扩展。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种加载高磁介材料的小型化柔性天线，该柔性天线包括底层柔性介质基板、天线金属层和高磁介柔性材料；其中，天线金属层设置在底层柔性介质基板的顶面，高磁介柔性材料贴在天线金属层的上方。
进一步地，底层柔性介质基板采用聚酰亚胺柔性薄膜。
进一步地，通过采用FPC电路印刷工艺将覆铜层单面印于底层柔性介质基板顶部的方式制作天线金属层
进一步地，天线金属层的馈电方式为共面波导馈电，包括中央馈电线、天线左侧地板、天线右侧地板、左侧地板耦合调节枝节和右侧地板耦合调节枝节；其中，中央馈电线位于底层柔性介质基板的一条几何中心线上；中央馈电线与左右两侧地板之间由矩形槽缝隔开，左右两侧地板另一端之间通过过度地板连接；左侧地板耦合调节枝节和右侧地板耦合调节枝节位于中央馈电线顶部，与中央馈电线实现耦合馈电；左侧地板耦合调节枝节和右侧地板耦合调节枝节分别与天线左侧地板和天线右侧地板连接，引出左右两条电流路径。
进一步地，天线左侧地板引入曲流技术，呈折叠状。
进一步地，高磁介柔性材料紧贴天线金属层，覆盖于中央馈电线与左右两根调节枝节的顶部。
进一步地，高磁介柔性材料为钴掺杂铁氧体。
(三)有益效果
本发明提出一种加载高磁介材料的小型化柔性天线，包括底层柔性介质基板、天线金属层和高磁介柔性材料，天线金属层设置在底层柔性介质基板的顶面，高磁介柔性材料贴在天线金属层的上方。
相比用于同频段的传统陶瓷天线，本发明具有柔性可共形的优势，更易集成于不规则形状的无线通信系统中，而且天线单面印刷电路，便于加工，天线剖面低且重量轻，整体厚度仅为0.38mm，天线总重量不到3.5g，小型化优势明显；相比于传统的柔性天线，本发明突破性地引入高磁介柔性材料，在天线面积有效缩减80％的同时，还进一步扩展工作带宽，能够覆盖全球UHF RFID频段，克服柔性微带天线设计尺寸过大，带宽较窄的瓶颈问题。因此，本发明完全满足于柔性小型化无线设备技术领域的应用。
附图说明
图1为本发明实施例的小型化柔性天线结构展开示意图；
图2为本发明实施例中天线金属层结构示意图；
图3为本发明实施例中小型化柔性天线电流分布图；
图4a为本发明实施例的小型化柔性天线俯视图，图4b为小型化柔性天线侧视图；
图5为本发明实施例中小型化柔性天线回波损耗曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种加载高磁介材料的小型化柔性天线，其结构如图1所示，主要包括底层柔性介质基板1、天线金属层和高磁介柔性材料7。
底层柔性介质基板1采用介电常数εγ＝3.5，损耗正切角tanδ＝0.008，厚度仅为0.045mm的聚酰亚胺柔性薄膜，通过多次优化得到的介质基板尺寸为50×50×0.045mm3。
底层柔性介质基板1的顶面设有天线金属层，通过采用FPC电路印刷工艺将覆铜层单面印于底层柔性介质基板1顶部的方式制作天线金属层。天线金属层的馈电方式为共面波导馈电，包括中央馈电线2、天线左侧地板3、天线右侧地板4、左侧地板耦合调节枝节5和右侧地板耦合调节枝节6。
如图2所示，中央馈电线2为50Ω馈电线，位于底层柔性介质基板1的一条几何中心线上，其宽度w1＝4.5mm，长度l1＝24.25mm，中央馈电线2与左右两侧天线地板之间由矩形槽缝隔开，缝隙宽度wf1＝0.25mm。中央馈电线两侧天线地板宽度wg1＝2mm，天线左侧地板3和天线右侧地板4的宽度分别为wg2＝3mm和wg4＝0.4mm，连接两侧电路的过度地板宽度wg3＝2mm。
左侧地板耦合调节枝节5和右侧地板耦合调节枝节6位于中央馈电线2顶部，与中央馈电线2实现耦合馈电。同时，左侧地板耦合调节枝节5和右侧地板耦合调节枝节6分别与天线左侧地板3和天线右侧地板4连接，由此引出左右两条电流路径，从而使天线产生两个谐振点，从图3的电流分布图中明显可以看出，天线在RFID频段上因此得到两个谐振点。
天线左侧地板3与左侧地板耦合调节枝节5的电流路径较大，主要影响低频谐振点，天线右侧地板4与右侧地板耦合调节枝节6则主要影响高频谐振点，通过调节左右两侧枝节长度以及天线地板结构，能够分别调节高频和低频谐振点的谐振频率。
通过改变枝节的数量，可以根据实际应用对天线工作带宽需求进行增减，通过调整枝节与天线地板的连接位置和连接角度，可以改变天线的工作频段。
本实施例中，天线左侧地板3引入曲流技术，呈折叠状，其折叠间隔wf2＝3mm，弯曲处地板长度l4＝19mm，宽度w4＝1mm。左侧地板耦合调节枝节5的长度l2＝23.8mm，宽度w2＝2.5mm，增加枝节5的长度或增加左侧地板3的弯曲次数，均可增大电流路径，使天线的低频谐振点进一步向低频偏移。同理，本实施例中右侧地板耦合调节枝节6的长度l3＝24.8mm，宽度w3＝14mm，改变枝节6的长度或地板4的宽度均可调整天线的高频谐振点工作频段。
顶层加载的高磁介柔性材料7紧贴天线金属层，覆盖于中央馈电线2与左右两根调节枝节5、6的顶部，如图4所示。
高磁介柔性材料的磁导率和介电常数在UHF RFID频段上均可达到5以上。本实施例中，高磁介柔性材料为钴掺杂铁氧体的磁介材料，该材料在UHF RFID频段的相对介电常数εγ＝11.4，相对磁导率μγ＝4.9mm，介电损耗正切角tanδε＝0.19，磁导率损耗正切角为tanδμ＝0.31，磁介材料尺寸为45×20×0.3mm3。加载高磁介柔性材料，一方面能够利用其高磁介特性，使天线实现显著小型化，另一方面也有利于两个天线谐振点实现双频融合，大幅增加天线的工作带宽。
经过参数优化，本实施例的天线整体高度为0.38mm，重量为3.47g，天线回波损耗曲线如图5所示，其小于-10dB的阻抗带宽为152MHz(833～985MHz)，相对工作带宽为16.7％，能够覆盖全球UHF RFID频段。因此，本发明在实现显著小型化的同时还能够进一步扩展天线工作带宽，突破柔性微带天线尺寸大带宽窄的瓶颈问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种加载高磁介材料的小型化柔性天线，其特征在于，所述柔性天线包括底层柔性介质基板、天线金属层和高磁介柔性材料；其中，天线金属层设置在底层柔性介质基板的顶面，高磁介柔性材料贴在天线金属层的上方。
2.如权利要求1所述的小型化柔性天线，其特征在于，所述底层柔性介质基板采用聚酰亚胺柔性薄膜。
3.如权利要求1所述的小型化柔性天线，其特征在于，通过采用FPC电路印刷工艺将覆铜层单面印于底层柔性介质基板顶部的方式制作所述天线金属层
4.如权利要求1所述的小型化柔性天线，其特征在于，所述天线金属层的馈电方式为共面波导馈电，包括中央馈电线、天线左侧地板、天线右侧地板、左侧地板耦合调节枝节和右侧地板耦合调节枝节；其中，中央馈电线位于底层柔性介质基板的一条几何中心线上；中央馈电线与左右两侧地板之间由矩形槽缝隔开，左右两侧地板另一端之间通过过度地板连接；左侧地板耦合调节枝节和右侧地板耦合调节枝节位于中央馈电线顶部，与中央馈电线实现耦合馈电；左侧地板耦合调节枝节和右侧地板耦合调节枝节分别与天线左侧地板和天线右侧地板连接，引出左右两条电流路径。
5.如权利要求4所述的小型化柔性天线，其特征在于，所述天线左侧地板引入曲流技术，呈折叠状。
6.如权利要求4所述的小型化柔性天线，其特征在于，所述高磁介柔性材料紧贴天线金属层，覆盖于中央馈电线与左右两根调节枝节的顶部。
7.如权利要求1所述的小型化柔性天线，其特征在于，所述高磁介柔性材料为钴掺杂铁氧体。
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