基于体声波谐振的磁电天线及其宽带化研究

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特高频(UHF,300-3000MHz)电磁波通讯广泛应用于可穿戴和无线植入式医疗设备中。天线作为整个通讯系统的重要组成部分,针对穿戴与植入需求,存在体积过大、难以集成等问题,而传统天线小型化设计又会带来增益低、阻抗匹配难等技术挑战,严重制约了智能可穿戴与微创植入等行业的发展。因此,研制新型辐射机理的小型化天线具有重要工程应用价值与学术研究意义。本文以基于体声波谐振的磁电天线为研究对象进行了系统的研究工作,具体内容如下:1、基于体声波谐振的磁电天线总体设计方案研究根据特高频通讯的技术需求与磁电天线的工作原理,完成了磁电天线的结构设计,分析了不同材料对磁电天线性能的影响,推导了磁电天线的Mason等效电路模型,建立了磁电天线各部分的材料模型库,并且通过仿真天线的电学阻抗特性优化了结构参数,研究表明调整电极的面积可以进行阻抗匹配,解决了传统电小天线阻抗匹配难的问题。2、基于体声波谐振的磁电天线机理研究针对磁电天线基础理论尚不完善,缺乏完整的建模分析方法等问题,建立了磁电天线理论模型,通过仿真分析研究了磁电天线的工作机理。首先研究了磁电天线在接收过程中的磁电耦合效应,验证了射频磁场与体声波之间的耦合;然后研究了在辐射过程中基于体声波工作的声学谐振特性,分析了损耗及结构参数对磁电天线性能的影响;最后通过表面等效原理研究了磁电天线的辐射特性,结果表明磁电天线可等效为偶极子。3、磁电天线的样机加工测试和宽带化研究首先针对磁电天线加工良品率低的问题,优化了工艺流程,使用磁控溅射方法制备出了天线样件,然后搭建了多场测试平台并进行了系统的测试和性能评估,最后针对磁电天线带宽窄的问题进行了宽带化研究。测试结果表明磁电天线辐射信号来自于声波谐振频率下的磁电耦合,证明了磁电天线的互易性,验证了其方向图近似于偶极子。进一步计算天线的增益为-15.8dB,在同等频率下尺寸可缩小两个数量级。
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