一种共面波导馈电的2.45GHz柔性可穿戴天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线领域，具体设计涉及一种共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天 线。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的飞速发展以及可穿戴消费电子的兴起，以人体为中心的无线 通讯系统已经成为当今的研究热点之一。人体无线通讯系统是第四代移动通信的重要组成 部分，在医疗康复、健康监测、体育运动以及消防安全等领域发挥着重要的作用。自赫兹和 马可尼发明天线以来，天线在人类的社会生活中扮演着重要的角色。天线是发射和接收电 磁波的一个重要的无线电设备，是无线通信系统中的重要环节，天线的性能将直接影响到 通信系统的品质。为满足个人通信技术对天线特性的要求，研究一种具备柔性、可穿戴特点 的天线显得尤为重要。
[0003] 所谓可穿戴天线，首先要求天线具备柔性特点，能够很好地穿戴于人体或与其他 可穿戴设备共形，通过将天线附着于衣物、穿戴设备上，实现无线通信。可穿戴天线最早可 追溯到用于军队战术通信的鞭状天线，这种天线基于尺寸原因，很容易暴露目标，较为理想 的可穿戴天线应具备质轻便携、稳定可靠、易于共形等特点。对于柔性可穿戴天线研究更为 倾向于低轮廓的印刷天线，尤其是贴片天线和缝隙天线，这两种平面结构的天线因具备质 量轻、剖面低、体积小等优势在可穿戴天线研究中备受关注。
[0004] 目前，国内对于天线的研究绝大多数处于以FR4(玻璃纤维环氧树脂板）、RT5880/ RT6002和F4BM微波介质板为基材，这类天线通常不可弯曲，可穿戴性差。国内对于柔性 可穿戴天线的研究较少，电子科技大学的徐凌提出了一种基于导电织物可穿戴天线，该天 线工作于2. 45GHz，具备轻便、易携带、隐蔽性好等特点。西安电子科技大学的赵程光利用 柔性铜箱设计了一种可穿戴偶极子天线，却存在不易穿戴、共形性差等弊端，有待进一步完 善。程春霞等人介绍了一种能与服装完全共形的柔性微带线，天线材质选用常规的毛毯和 铜箱，并对天线在平放和弯曲条件下进行性能测试。
[0005]总结国外对于柔性可穿戴天线的研究具备如下特点，其柔性基体通常采用聚酰亚 胺（polyimide,PI)、高分子聚合物（polydimenthysiloxane,PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇 酯（polyethyleneglycolterephthalate,PET)、丝织物（Textle)等几类，导电材质主要 为金属导电液、银纳米线（AgNW)、碳纳米管（CNTs)以及金属纳米颗粒和金属导电液等。美 国北卡罗来纳州大学的JuHeeSo等人以PDMS为柔性介质，将液态金属注入预留管道以制 备柔性偶极子天线，该天线具有机械弯曲与可重构特点。对于填充液态金属类柔性天线，通 常存在柔性介质破损时会导致液态金属泄露等弊端。SongLingnan等人介绍了一种AgNW/ PDMS可拉伸特点的柔性矩形微带天线，银纳米线成为研究新型可穿戴或透明天线的首选， 却因价格昂贵不易大规模推广。铜或铝等金属纳米粒子价格较银纳米线低廉却存在易于氧 化的缺点。
[0006] 微带线由于具有低剖面、重量轻、体积小以及容易与微波电路集成等优点，在无线 通信系统中得到了广泛应用，特别是共面波导馈电天线由于其制作简单、费用低廉、具有良 好的带宽、多频段操作灵活以及偏差小等显著特性成为近年来的关注热点之一。Fujifilm Dimatix公司推出的DMP-2831材料喷印机采用MEMS及硅材质制作喷墨头，可支持多种材料 喷印（如银墨水、透明导电性材料等），为打印柔性可穿戴电子产品提供了一种实施途径。 基于DMP-2831喷墨打印机采用打印银墨水方式制备一种柔性可穿戴天线可大大简化其制 备流程，降低设计成本。
【发明内容】
[0007] 本发明提出了一种采用共面波导馈电、中心频率为2. 45GHz的柔性可穿戴天线结 构，基于喷墨打印工艺，以打印银墨水方式制备高导电辐射贴片，以PDMS为柔性基体，旨在 解决现有非柔性天线不易共形、可穿戴性差以及柔性天线制备流程繁琐等问题。同时，为了 进一步扩展本发明中提出的结构紧凑型共面波导馈电单极子天线的普适性，通过优化天线 尺寸参数设计了一种基于PET柔性基体的共面波导馈电、中心频率为2. 45GHz的柔性可穿 戴天线。
[0008]本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0009] 本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线，其特点在于：是在一矩形柔性 基体的上表面分别设置有"T"形辐射贴片和两矩形接地平面；且两接地平面对称设置在所 述"T"形辐射贴片的" | "部分的两侧。所述辐射贴片和所述接地平面均以银墨水为材质。 所述柔性基体以PDMS或PET为材质。
[0010]本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线，其特点在于：
[0011] 两接地平面的一长边与所述"T"形辐射贴片的" | "部分的底边及所述柔性基体 的一长边相平齐；两接地平面的一短边各与所述柔性基体的一短边对齐；
[0012] 两接地平面的短边长度小于所述"T"形辐射贴片的" | "部分的长度；
[0013] 在所述"T"形辐射贴片的"一"部分的底边上、位于"Γ部分的两侧对称开设有两 "I"形缝隙；在所述"T"形辐射贴片的"一"部分上开设有开口朝向"一"部分底边的"E" 形缝隙；两"I"形缝隙和"E"形缝隙呈叉指结构。
[0014] 为了良好地满足工程性能需求，本发明的共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天 线的尺寸设置为：
[0015] 当所述柔性基体以PDMS为材质时，所述柔性可穿戴天线的尺寸为：
[0016] 所述柔性基体长40mm、宽35mm、厚度1mm;所述接地平面长15. 6mm、宽9. 4mm;"T" 形福射贴片的"一"部分长16. 6mm、宽17. 2mm，" | "部分长12mm，宽5. 5mm;
[0017] 所述"E"形缝隙的底边长13. 6mm、宽1mm，三个伸出端的长为4mm、宽1mm，三个伸出 端的顶部与"T"形的"一"部分的底边的距离为2mm;两"Γ形缝隙长4臟、宽1臟，两"Γ 形缝隙相邻边的间距为8. 5mm。
[0018] 当所述柔性基体以PET为材质时，所述柔性可穿戴天线的尺寸为：
[0019] 所述柔性基体2长40mm、宽35mm、厚度0· 3mm;所述接地平面3长16. 9mm、宽 9. 4mm;"T"形福射贴片1的"一"部分长17. 6mm、宽20mm，" | "部分长12mm，宽5. 5mm;
[0020] 所述"E"形缝隙的底边长17mm、宽1mm，三个伸出端的长为4mm、宽1mm，三个伸出 端的顶部与"T"形的"一"部分的底边的距离为2mm;两"Γ形缝隙长4臟、宽1mm;两"Γ 形缝隙相邻边的间距为8. 5mm。
[0021] 所述紧凑型辐射贴片中的缝隙宽度均为lmm，"E"形缝隙中心线与"T"形辐射贴片 "I"部分中心线共线。
[0022] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0023] 1、与传统非柔性基材制备的天线相比，本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿 戴天线可采用PDMS或PET为柔性基体（需改变天线相应的尺寸参数），基于喷墨打印技术 以银墨水制备高导电性柔性薄膜用作辐射贴片和接地平面。其具有结构紧凑、质轻便携、易 于共形、可穿戴性好以及加工便捷等优点。
[0024] 2、本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线分别采用3D打印技术制备 PDMS柔性基体，并基于喷墨打印技术，在PDMS柔性基体上打印银墨水制备辐射贴片和接地 平面。由于采用共面波导馈电，其辐射贴片和接地平面设计在PDMS柔性基体的同一面，简 化了整个制备流程，降低了设计成本。
[0025] 3、本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线在实现传统非柔性天线的功 能基础上，经验证，在发生一定弯曲或扭转时仍可满足工程要求，且柔软度与可穿戴性远优 于传统铜质天线，可灵活安装在设备内外以及弯曲部位。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线结构图；
[0027] 图2是本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线横截面结构示意图；
[0028] 图3是本发明共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线共面波导激励的波端口设 置示意图；
[0029] 图4是本发明以PDMS为基体时共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线尺寸参 数图；
[0030] 图5是本发明以PDMS为基体时共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线回波损 耗仿真结果；
[0031] 图6是本发明以PDMS为基体时共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线驻波比 仿真结果；
[0032] 图7是本发明以PDMS为基体时共面波导馈电的2. 45GHz柔性可穿戴天线XZ平面 增益方向图和