CN114665278A - 基于人工磁导体阵列的石墨烯圆极化可穿戴天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于人工磁导体阵列的石墨烯圆极化可穿戴天线，属于天线技术领域，旨在实现可穿戴天线的圆极化特性，并在保证轻量化和低比吸收率的前提下提高天线的增益，包括自上而下依次层叠的圆极化辐射单元、第二柔性介质支撑层和人工磁导体阵列反射板；圆极化辐射单元包括第一介质柔性基板以及印制在其上表面的石墨烯薄膜的馈电地板，馈电地板上蚀刻有开口的矩形缝隙，缝隙内印制有L型辐射贴片；所述人工磁导体阵列反射板由多个周期性排布的人工磁导体单元构成，人工磁导体单元包括第三介质柔性基板以及印制在其上表面的石墨烯薄膜的方环形贴片和下表面的石墨烯薄膜的方形地板。

Description

基于人工磁导体阵列的石墨烯圆极化可穿戴天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种圆极化可穿戴天线，具体涉及一种基于人工磁导体阵列的石墨烯圆极化可穿戴天线，可用于无线体域网通信系统。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，以人体为中心的无线体域网(WBAN)通信系统已成为近程无线通信的重要组成部分，其主要应用于医疗和健康监测等领域。可穿戴电子设备作为无线体域网通信系统的终端设备，在信号的接收和发射中扮演着至关重要的角色，可穿戴电子设备中信号的接收和发射依赖于天线。为满足人体通信技术的要求，可穿戴电子设备对可穿戴天线的要求为：具备除常规天线电性能之外的其他特殊的性能，如耐磨性、高柔性、轻量化、小型化以及低比吸收率(SAR)等。
现有的可穿戴天线主要有三类：单极子天线、微带贴片天线、单极子结合超材料结构。对于单极子形式的天线来说，其结构简单且易实现宽带化，但这种类型的天线具有较强的背向辐射，无法实现天线与人体的隔离，会导致过高的比吸收率，不符合国际电磁辐射安全标准。微带形式的可穿戴天线可实现天线与人体的隔离，但是微带天线本身带宽较窄，弯曲状态下的形变会导致天线谐振频率的偏移以及辐射方向图的畸变，并且这类天线一般增益不高。单极子结合超材料结构的可穿戴天线可保证天线与人体的隔离并且在弯折条件下仍可保持较好的性能，但这种形式的天线大多为线极化，限制了天线在人体上的摆放位置。
2019年11月，西安电子科技大学吴边等人申请专利“基于石墨烯柔性导电膜的圆极化可穿戴天线”，申请公布号为：CN 110444894 A，该发明公开了一种基于各向异性人工磁导体结构的石墨烯薄膜圆极化可穿戴天线，其利用一个线极化辐射单元与人工磁导体对天线电磁波的调制实现圆极化辐射，同时该天线具有低剖面以及低比吸收率的特点，但是，该天线增益略低，其最大增益为6dBi。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有可穿戴天线存在的不足，提出一种基于高导电柔性石墨烯薄膜的圆极化可穿戴天线，旨在实现可穿戴天线的圆极化特性，并在保证轻量化和低比吸收率的前提下提高天线的增益。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括自上而下依次层叠的圆极化辐射单元1、第二柔性介质支撑层2和人工磁导体阵列反射板3。
所述圆极化辐射单元1，包括形状为正方形的第一介质柔性基板11，以及印制在其上表面的石墨烯薄膜的馈电地板12，该馈电地板12的中心位置蚀刻有开口的矩形缝隙，缝隙内印制有L型辐射贴片13，开口处印制有与L型辐射贴片13纵向臂连接的矩形共面波导馈线14；
第二柔性介质支撑层2，采用相对介电常数为1的柔性介质材料；
所述人工磁导体阵列反射板3，由n×n个周期性排布的人工磁导体单元31构成，n≥4，人工磁导体单元31包括形状为正方形的第三介质柔性基板311、印制在其上表面的石墨烯薄膜的方环形贴片312和下表面的石墨烯薄膜的方形地板313。
作为优选，所述圆极化辐射单元1、第二柔性介质支撑层2以及人工磁导体阵列反射板3，其中心法线重合且对应边平行，其中圆极化辐射单元1和人工磁导体阵列反射板3的柔性介质基板均采用聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
作为优选，所述馈电地板12，其中心位置蚀刻的矩形缝隙的形状为正方形，且该正方形缝隙两组对边中点的连线分别与第一介质柔性基板11的两条对角线重合。
作为优选，所述正方形缝隙，其开口位于该正方形缝隙一个角的位置。
作为优选，所述L型辐射贴片13两臂相互垂直，其横向臂与正方形缝隙的一个对角线平行。
作为优选，所述人工磁导体单元31，其方环形贴片312外边长a与内边长b的取值范围为0.3λg≤a≤0.32λg，0.09λg≤b≤0.16λg，其中λg为介质导波波长，
Figure BDA0003610286890000021
c为真空中的光速，εe为辐射单元介质板的有效介电常数，f0为人工磁导体单元的等效LC谐振电路的谐振频率。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明中的人工磁导体阵列反射板由n×n个周期性排布的方环型人工磁导体单元构成，该人工磁导体单元等效为一个LC谐振电路，当有一入射波照射人工磁导体表面，其谐振频率处的反射波与入射波的相位差为0°，即对于圆极化辐射单元背向辐射的电磁波，在经过人工磁导体结构表面时会被反射，其反射后其反射波与入射波的相位差为0°，此时圆极化辐射单元背向辐射的电磁波又以原相位被反射至辐射单元主辐射方向，进而有效提高了可穿戴天线的增益。
2.本发明的圆极化可穿戴天线通过倒L型单极子贴片实现天线的圆极化，并采用各向同性人工磁导体反射板隔绝天线与人体以缩减天线对人体的辐射。
3.本发明采用高导电率石墨烯薄膜以及柔性介质基板，利用二者的柔性特质可以使得可穿戴天线整体具有良好的耐弯折特性，同时实现了天线的轻量化。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明的圆极化辐射单元的俯视图；
图3为本发明中人工磁导体阵列反射板的俯视图；
图4为本发明的S参数仿真结果图；
图5为本发明的轴比仿真结果图；
图6为本发明的方向图仿真结果图，其中6(a)为E面方向图，6(b)为H面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
参见图1，本发明包括自上而下依次层叠的圆极化辐射单元1、第二柔性介质支撑层2和人工磁导体阵列反射板3。
参见图2，圆极化辐射单元1包括形状为正方形的第一介质柔性基板11，其上表面印制有石墨烯薄膜的馈电地板12，该馈电地板12的中心位置蚀刻有开口的正方形缝隙，缝隙内印制有L型辐射贴片13，开口处印制有共面波导馈线14。
本实施例的圆极化辐射单元1中第一介质柔性基板11的长度为96mm，厚度为1mm。馈电地板12的中心位置蚀刻的有开口的正方形缝隙，其对角线长度为82mm，开口位于该正方形缝隙纵向对角线下方位置，该开口的宽度为2.88mm。共面波导馈线14的宽度为2.36mm，其长度为16.8mm。L型辐射贴片13，纵向枝节的长度L1＝44.5mm，横向枝节的长度L2＝22mm，横向枝节与纵向枝节的宽度相同，宽度W1＝10mm。馈电地板12、L型辐射贴片13以及馈电中心导带14的材料均为电导率约为1130000S/m、厚度为24μm的石墨烯薄膜。第一介质柔性基板11采用介电常数为3.5的聚酰亚胺材料。天线工作时，电信号通过共面波导馈线14馈入天线，通过与共面波导馈线14相连的L型辐射贴片13使馈入的电信号形成两个相互正交的电场矢量，进而实现天线的圆极化特性。
第二柔性介质支撑层2，其主要作用为限制圆极化辐射单元1与人工磁导体阵列反射板3之间的距离并起支撑作用，采用相对介电常数为1的柔性介质材料，其厚度为3mm，长度与第一介质柔性基板11相等。
参见图3，实施例人工磁导体阵列反射板3由5×5个周期性排布的人工磁导体单元31组成，其中人工磁导体单元31，包括自上而下依次层叠方环形贴片312、第三介质柔性基板311和方形地板313。方环形贴片311的内环长度b＝11mm，外环长度a＝23mm。方形地板313的长度w＝25mm。第三介质柔性基板311采用介电常数为3.5的聚酰亚胺材料，其长度为5×w，厚度为3mm。方环形贴片311和方形地板313的材料均为电导率约为1130000S/m，厚度为24μm的石墨烯薄膜。该人工磁导体单元可以等效为一个LC谐振电路，其谐振频率处的反射相位差为0°，即对于向该人工磁导体单元入射的电磁波，在经过人工磁导体单元的反射后其反射波与入射波的相位一致。
本发明的工作原理是：圆极化辐射单元1向四周辐射电磁波，其下方的人工磁导体阵列反射板3对入射到其表面的电磁波进行反射，提高天线增益。并且反射波与入射波的相位差为零，即经过人工磁导体阵列反射板3反射回去的电磁波其旋向不发生改变，即反射电磁波仍为圆极化辐射单元1所辐射圆极化电磁波的旋向，同时人工磁导体阵列反射板3的反射作用还能够缩减天线的背向辐射，降低天线对人体的辐射伤害。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
1.仿真条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i7 5930k CPU，主频为3.5GHz，内存16GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和电磁场全波仿真软件ANSYS 19.0。
2.仿真内容及结果分析：
仿真1，对本发明实施例的S参数进行仿真，其结果如图4所示。
仿真2，对本发明实施例的轴比进行仿真，其结果如图5所示。
仿真3，对本发明实施例的方向图进行仿真，其结果如图6所示。
参照图4，在2.23-3.0GHz频段内，S11均小于-10dB，这说明天线在较宽的频段内S11匹配良好，同时在2.4-2.48GHz的ISM波段的低频段内，S11均小于-15dB，这说明在该频段内，馈电端口的阻抗匹配良好，天线能够在2.4-2.48GHz频段内进行良好的工作。
参照图5，在2.4-2.48GHz的ISM波段的低频段内，天线的轴比小于3dB，这说明在该频段内，天线拥有良好的圆极化性能。
参照图6，图6(a)和(b)分别为天线在2.45GHz时的E面和H面方向图，从仿真结果可以看出，在主辐射方向天线RHCP增益比LHCP增益高20dB以上且在2.45GHz时最大增益为8.49dBi，相比前述案例中的可穿戴天线增益提高了2.49dBi。并且由于人工磁导体阵列反射板的存在，使得天线的后向辐射得到了有效抑制，这表明天线在2.45GHz拥有良好的工作性能，并且能够保障人体组织的安全。
需要说明的是，上述描述仅为本发明的优选实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于人工磁导体阵列的石墨烯圆极化可穿戴天线，包括自上而下依次层叠的圆极化辐射单元(1)、第二柔性介质支撑层(2)和人工磁导体阵列反射板(3)，其特征在于：
所述圆极化辐射单元(1)，包括形状为正方形的第一介质柔性基板(11)，以及印制在其上表面的石墨烯薄膜的馈电地板(12)，该馈电地板(12)的中心位置蚀刻有开口的矩形缝隙，缝隙内印制有L型辐射贴片(13)，开口处印制有与L型辐射贴片(13)纵向臂连接的矩形共面波导馈线(14)；
第二柔性介质支撑层(2)，采用相对介电常数为1的柔性介质材料；
所述人工磁导体阵列反射板(3)，由n×n个周期性排布的人工磁导体单元(31)构成，n≥4，人工磁导体单元(31)包括形状为正方形的第三介质柔性基板(311)、印制在其上表面的石墨烯薄膜的方环形贴片(312)和下表面的石墨烯薄膜的方形地板(313)。
2.根据权利要求1所述的基于人工磁导体阵列的石墨烯圆极化可穿戴天线，其特征在于，所述圆极化辐射单元(1)、第二柔性介质支撑层(2)以及人工磁导体阵列反射板(3)，其中心法线重合且对应边平行，其中圆极化辐射单元(1)和人工磁导体阵列反射板(3)的柔性介质基板均采用聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的圆极化可穿戴天线，其特征在于，所述馈电地板(12)，其中心位置蚀刻的矩形缝隙的形状为正方形，且该正方形缝隙两组对边中点的连线分别与第一介质柔性基板(11)的两条对角线重合。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯薄膜的圆极化可穿戴天线，其特征在于，所述正方形缝隙，其开口位于该正方形缝隙一个角的位置。
5.根据权利要求3所述的基于石墨烯薄膜的圆极化可穿戴天线，其特征在于，所述L型辐射贴片(13)两臂相互垂直，其横向臂与正方形缝隙的一个对角线平行。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的圆极化可穿戴天线，其特征在于，所述人工磁导体单元(31)，其方环形贴片(312)外边长a与内边长b的取值范围为0.3λg≤a≤0.32λg，0.09λg≤b≤0.16λg，其中λg为介质导波波长，
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