基于基片集成波导的穿戴式织物天线研究

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随着社会人口老龄化发展,以人体为中心的无线通信网络将在医疗领域得到广泛应用。可穿戴天线,是保障无线通信可靠和稳定的重要元件,具有非常重要的研究意义。由于人体的电特性,可穿戴天线设计具有一定的挑战性。基片集成波导(SIW)结构,由于其简单的结构和出色的电磁屏蔽性能,非常适用于穿戴式天线的设计。将SIW结构的天线集成在可穿戴纺织材料上,可以保持人体舒适度的同时提供高效稳定的性能。本论文由国家自然科学基金(No.61372008)、广东省科技计划(No.2014A010103014,No.2015B010101006)等项目资助,主要研究基于基片集成波导的穿戴式织物天线。本论文主要研究内容有:(1)应用于WBAN频段的宽频带SIW织物天线。这部分工作是针对目前已有的可穿戴SIW织物天线存在谐振模式单一,阻抗带宽窄的问题,提出了一款简单的宽频带SIW织物天线,应用于5-GHz无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)频段。该天线采用毛毡材料、导电织布和黄铜鸡眼等纺织材料制作而成,利用两个相近谐振频率的腔体之间的耦合,实现宽频带的阻抗带宽。天线的尺寸为42×42×2 mm~3,实测阻抗带宽为21.8%(5.06–6.26 GHz),带宽内的最高实测增益为6.0 d Bi,带宽内的实测平均辐射效率为54.5%。在无线通信中,由于安装空间有限,因此希望天线的尺寸尽可能地缩小。(2)四分之一SIW模式的紧凑型双频穿戴式织物天线。这部分工作主要是解决上一款天线尺寸较大的问题,提出了一种紧凑型双频SIW织物天线。利用SIW腔体电场分布的特性,经过对SIW全模谐振腔进行两次分隔,得到四分之一模式的SIW腔体,且电场分布保持不变,这大大减少了天线的尺寸。天线采用介电常数为1.2,损耗角正切为0.02的毛毡材料为介质,天线贴片的面积为36.8×36.8 mm~2。天线工作在3.5-GHz Wi MAX频段和5.8-GHz ISM频段,阻抗带宽分别3.4%(3.44–3.56 GHz)和3.5%(5.72–5.92 GHz)。两个频段可以根据天线的电场分布单独调节。天线的实测结果与仿真结果十分拟合,文中通过天线的演进过程分析天线工作原理,并研究了相关参数对天线性能的影响。(3)基于CRLH结构的紧凑型穿戴式SIW织物天线。SIW的四分之一模式虽然能有效减少天线的面积,可是所带来的影响是天线方向图的交叉极化比恶化。这一部分的工作提出了一款基于CRLH结构的SIW腔体缝隙天线。CRLH是一种超材料,通过在SIW腔体中刻蚀叉指缝隙结构实现。利用叉指缝隙结构引入了等效串联电容,SIW结构的金属化过孔引入等效并联电感,使天线具有CRLH结构的特性。CRLH零阶谐振的特性使天线工作在截止频率以下,实现天线的小型化设计。天线的尺寸为π×16×16×2 mm~3,工作在5.8-GHz ISM频段,天线的实测阻抗带宽为5.5%(5.62–5.94GHz),实测增益为4.6 d Bi,辐射效率为60.5%。本文设计了三款基于基片集成波导的穿戴式织物天线,为无线体域网的穿戴式天线设计提供技术解决方案。
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