本發(fā)明屬于柔性可穿戴天線技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種基于PDMS材料的柔性可穿戴雙頻單極子天線。

背景技術(shù)：

近年來，諸如可穿戴設(shè)備，柔性微電子產(chǎn)品以及柔性集成電路等未來產(chǎn)業(yè)得到了社會的極大重視。為研制出可集成到柔性材料當(dāng)中的無線通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中對于柔性天線和柔性無源器件的需求有了極大的提升?；诓煌嵝圆牧希T如液晶高分子聚合物(LCP)，聚醚酰亞胺(PEI)，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的多種天線設(shè)計(jì)已經(jīng)被提出。這些材料有獨(dú)特的射頻特性，比如低的介電常數(shù)和損耗正切角。最近，聚二甲硅氧烷(PDMS)因?yàn)槠鋬?yōu)異的機(jī)械和電氣性能成為眾多有前景的柔性材料之一，用來制作天線的介質(zhì)基板。大量的柔性天線技術(shù)已經(jīng)被提出，有文獻(xiàn)中已提出過用導(dǎo)電布制作出的純紡織貼片天線。

此外，在無線通信領(lǐng)域中，雙頻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對多頻天線性能的要求也越來越高。例如，在移動通信領(lǐng)域,頻譜資源變得越來越緊張。為了滿足用戶的快速增長的要求，天線的頻段也從以前的GSM頻段擴(kuò)展到DCS&PCS頻段，以至最近業(yè)務(wù)4G頻段，除此之外廣泛應(yīng)用的還有Bluetooth、無線局域網(wǎng)頻段,這些都要求手機(jī)等無線設(shè)備的天線具有雙頻、三頻、甚至更多頻率共用一個天線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，為實(shí)現(xiàn)天線的柔性可穿戴功能和有效提高天線的利用率，提供一種基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的可穿戴雙頻柔性天線。通過PDMS材料的使用，使得天線輻射貼片在復(fù)雜的環(huán)境下可以隨著介質(zhì)基板的形變而形變并保持著正常的工作性能。此外，通過對輻射貼片形狀與尺寸的不斷修改和優(yōu)化，天線可以在2.32-2.44GHz和3.1-6GHz兩個頻段內(nèi)收發(fā)信號，有效縮減了可穿戴設(shè)備的尺寸。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線在兩段工作頻帶中，回波損耗均在-10dB以下，電壓駐波比小于2，阻抗匹配程度良好，同時保證了輻射方向圖H面的全向性和E面的穩(wěn)定性，滿足柔性可穿戴和雙頻率工作的需求。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于PDMS材料的柔性可穿戴雙頻單極子天線，包括接地板、介質(zhì)基板、饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，所述介質(zhì)基板由厚度為2mm的PDMS材料構(gòu)成，接地板設(shè)于介質(zhì)基板一側(cè)，介質(zhì)基板另一側(cè)設(shè)有饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，所述接地板設(shè)有三塊，其中兩塊設(shè)在介質(zhì)基板頂部，另一塊設(shè)在介質(zhì)基板底部；所述輻射貼片由U型輻射貼片、H型輻射貼片和矩形輻射貼片組成，H型輻射貼片設(shè)置在U型輻射貼片的中部且通過矩形輻射貼片與U型輻射貼片相連通；所述U型輻射貼片的兩側(cè)底部相對稱地設(shè)有梯形結(jié)構(gòu)。

位于介質(zhì)基板頂部的兩塊接地板間的距離為4mm。

所述U型輻射貼片的長和寬均為22mm。

所述介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為2.65，損耗正切值為0.02。

所述介質(zhì)基板的規(guī)格尺寸為24mm×38mm×2mm。

所述接地板的寬度為4mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1.本發(fā)明天線的諧振頻率分別為2.4GHz和4GHz，2.4GHz處的回波損耗值為-32dB,而4GHz處的回波損耗也僅為-25dB，帶寬為3.2-7GHz，性能強(qiáng)，滿足柔性天線的功能要求，可以集成到衣物上進(jìn)行可穿戴應(yīng)用，從而提高了該天線的實(shí)用性。

2.本發(fā)明天線通過在輻射貼片上設(shè)置H型槽，影響了矩形輻射單元和接地板的電磁耦合以及電流的路徑，因此該天線的輸入阻抗以及諧振頻率發(fā)生了變化。

3.本發(fā)明天線通過在在輻射貼片兩端底部設(shè)置阻抗梯形結(jié)構(gòu)，增加了天線的電流路徑，并且增強(qiáng)了貼片的阻抗匹配，最終使得天線的帶寬變寬，回波損耗值大大降低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖4-1和圖4-2分別是天線的輻射貼片只是矩形結(jié)構(gòu)即作為原始天線時的結(jié)構(gòu)示意圖和其回波損耗隨頻率變化曲線圖。

圖5-1和圖5-2分別是天線的輻射貼片引入U(xiǎn)型結(jié)構(gòu)時的結(jié)構(gòu)示意圖和其回波損耗隨頻率變化曲線圖。

圖6-1和圖6-2分別是天線的輻射貼片引入H型結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)時的結(jié)構(gòu)示意圖和其回波損耗隨頻率變化曲線圖。

圖7-1和圖7-2分別是天線的輻射貼片引入梯形結(jié)構(gòu)時的結(jié)構(gòu)示意圖和其回波損耗隨頻率變化曲線圖。

圖8-1和圖8-2是本發(fā)明天線分別在2.4GHz和4GHz頻率處的輻射方向圖。

圖9是本發(fā)明天線在不同彎曲程度下的回波損耗隨頻率變化曲線圖。

附圖標(biāo)記：1-接地板2-介質(zhì)基板3-饋電網(wǎng)絡(luò)4-U型輻射貼片5-H型輻射貼片 6-矩形輻射貼片

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

如圖1至圖2所示，一種基于PDMS材料的柔性可穿戴雙頻單極子天線，包括接地板1、介質(zhì)基板2、饋電網(wǎng)絡(luò)3和輻射貼片，PDMS(聚二甲基硅氧烷)作為一種高分子有機(jī)硅化合物。具有光學(xué)透明，且在一般情況下，被認(rèn)為是惰性，無毒，不易燃的。本實(shí)施例中選擇了厚度為2mm的PDMS(ε_r＝2.65,tanδ＝0.02)材料作為介質(zhì)基板2，介質(zhì)基板2的相對介電常數(shù)為2.65，損耗正切值為0.02，輻射貼片以及接地板1皆采用銅材料。饋電網(wǎng)絡(luò)3采用典型的微帶線饋電結(jié)構(gòu)，接地板1是由三塊貼片構(gòu)成，其中兩塊設(shè)在介質(zhì)基板2頂部，另一塊設(shè)在介質(zhì)基板2的底部；天線的整體形狀如圖1所示，天線采用側(cè)饋方式，輸入阻抗為50Ω，很好的實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。

本實(shí)施例中的天線是通過蝕刻方法制作在規(guī)格尺寸為24mm*38mm*2mm的介質(zhì)基板2上，接地板1刻蝕于介質(zhì)基板2一側(cè)，介質(zhì)基板2的另一側(cè)刻蝕有饋電網(wǎng)絡(luò)3和輻射貼片，饋電網(wǎng)絡(luò)3由微帶線構(gòu)成，輻射貼片由U型輻射貼片4、H型輻射貼片5和矩形輻射貼片6組成，H型輻射貼片5設(shè)置在U型輻射貼片4的中部且通過矩形輻射貼片6與U型輻射貼片4相連通；U型輻射貼片4的兩側(cè)底部相對稱地設(shè)有梯形結(jié)構(gòu)。

如圖3所示為本發(fā)明天線經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的具體的尺寸，參數(shù)如下：L＝22mm，L1＝6mm,W＝22mm，W1＝4mm,L2＝4mm,W2＝8mm,L3＝21mm,W3＝4mm,L4＝2mm,W4＝2mm,L5＝5mm,W5＝4mm,L6＝10mm，W6＝1.5mm,L7＝10mm，W7＝2.5mm，介質(zhì)基板2厚度為2mm。

為了研究該天線的多頻特性，分別設(shè)計(jì)了輻射貼片只是一個較大的矩形結(jié)構(gòu)、輻射貼片為U型結(jié)構(gòu)、輻射貼片引入H型結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)以及輻射貼片引入梯形結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真對比分析。作為柔性天線，要能夠滿足在發(fā)生形變時進(jìn)行工作，因此在天線設(shè)計(jì)中，也將天線置于不同的曲度彎曲下進(jìn)行測試，進(jìn)而優(yōu)化和得出最終的天線結(jié)構(gòu)。

利用全波電磁仿真軟件HFSS，分別對天線引入H型結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、階梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、天線彎曲條件下性能測試三個方面進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。

圖4-1為未經(jīng)任何修改優(yōu)化過的平面單極子天線，其回波損耗隨頻率變化如圖4-2所示。該天線最佳諧振頻率為3.5GHz，在3-4.3GHz頻段內(nèi)的回波損耗小于-10dB，帶寬為1.3GHz。

圖5-1為在圖4-1天線基礎(chǔ)上對輻射貼片進(jìn)行挖槽形成U型輻射貼片4后的平面單極子天線，其回波損耗隨頻率變化如圖5-2所示。輻射貼片長度未發(fā)生變化，相當(dāng)于是變?yōu)榱藢挾茸冃〉妮椛滟N片，因此諧振頻率會有所變化，諧振點(diǎn)由3.5GHz變?yōu)?.7GHz。此外，通過對天線尺寸進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使得天線的最低回波損耗下降到-53Db,工作帶寬也拓寬至2.9-5.5GHz，使得天線在該頻段內(nèi)性能大幅度提升。

圖6-1為在圖5-1基礎(chǔ)上引入多頻設(shè)計(jì)即引入H型結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)后的平面單極子天線，其回波損耗隨頻率變化如圖6-2所示。通過在U型輻射貼片4內(nèi)部增加H型輻射貼片5和矩形輻射貼片6結(jié)構(gòu)使得天線在2.32-2.45GHz頻段內(nèi)也可發(fā)生諧振，在2.4GHz處回波損耗達(dá)到-18dB,可進(jìn)行信號輻射，從而使該天線變?yōu)殡p頻天線。H型輻射貼片5的引入，影響了矩形輻射貼片6和接地板1的電磁耦合以及電流的路徑，因此該天線的輸入阻抗以及諧振頻率發(fā)生了變化，第二諧振點(diǎn)由3.7GHz變?yōu)?.9GHz，帶寬也有所縮短，為3.2-5GHz。

圖7-1為引入階梯形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后的天線，其回波損耗隨頻率變化如圖7-2所示。通過在在U型輻射貼片4兩端底部形成阻抗階梯形結(jié)構(gòu)，增加了天線的電流路徑，并且增強(qiáng)了貼片的阻抗匹配，最終使得天線的帶寬變寬，回波損耗值大大降低?？梢钥吹剑A梯形結(jié)構(gòu)的引入，使得天線在第一諧振頻率2.4GHz處的回波損耗值降為-32dB,而第二諧振點(diǎn)變?yōu)?GHz，回波損耗也僅為-25dB，帶寬增寬至3.2-7GHz，大大提高了性能。

圖8-1和圖8-2為該天線分別在2.4GHz和4GHz兩個頻率處的輻射方向圖。

圖9顯示了本發(fā)明天線在不同的彎曲半徑下回波損耗與工作頻率的關(guān)系圖?？梢钥闯鲈诎霃綖?8mm時，天線回波損耗有所提升，第一諧振點(diǎn)和第二諧振點(diǎn)處回波損耗皆增為-20dB左右,帶寬有所縮減，但是依然能夠保證雙頻下的穩(wěn)定工作。半徑為14mm時，性能進(jìn)一步降低，直至降到10mm時，第一諧振點(diǎn)頻率已經(jīng)偏移，回波損耗也大大提升，基本喪失工作能力。但是第二諧振點(diǎn)4.0GHz處還能保持工作性能，只是帶寬縮減至3.2-4.8GHz。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。