本發明屬于柔性可穿戴天線技術領域，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：

近年來，諸如可穿戴設備，柔性微電子產品以及柔性集成電路等未來產業得到了社會的極大重視。為研制出可集成到柔性材料當中的無線通信系統，設計中對于柔性天線和柔性無源器件的需求有了極大的提升。基于不同柔性材料，諸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)的多種天線設計已經被提出。這些材料有獨特的射頻特性，比如低的介電常數和損耗正切角。最近，聚二甲硅氧烷(PDMS)因為其優異的機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基板。大量的柔性天線技術已經被提出，有文獻中已提出過用導電布制作出的純紡織貼片天線。

此外，在無線通信領域中，雙頻技術的應用越來越廣泛，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頻段擴展到DCS&PCS頻段，以至最近業務4G頻段，除此之外廣泛應用的還有Bluetooth、無線局域網頻段,這些都要求手機等無線設備的天線具有雙頻、三頻、甚至更多頻率共用一個天線。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，為實現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雜的環境下可以隨著介質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化，天線可以在2.32-2.44GHz和3.1-6GHz兩個頻段內收發信號，有效縮減了可穿戴設備的尺寸。仿真結果表明，所設計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面的穩定性，滿足柔性可穿戴和雙頻率工作的需求。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

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、介質基板、饋電網絡和輻射貼片，所述介質基板由厚度為2mm的PDMS材料構成，接地板設于介質基板一側，介質基板另一側設有饋電網絡和輻射貼片，所述接地板設有三塊，其中兩塊設在介質基板頂部，另一塊設在介質基板底部；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型輻射貼片的兩側底部相對稱地設有梯形結構。

位于介質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。

所述介質基板的相對介電常數為2.65，損耗正切值為0.02。

所述介質基板的規格尺寸為24mm×38mm×2mm。

所述接地板的寬度為4mm。

與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：

1.本發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，滿足柔性天線的功能要求，可以集成到衣物上進行可穿戴應用，從而提高了該天線的實用性。

2.本發明天線通過在輻射貼片上設置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生了變化。

3.本發明天線通過在在輻射貼片兩端底部設置阻抗梯形結構，增加了天線的電流路徑，并且增強了貼片的阻抗匹配，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是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明的側視結構示意圖。

圖3是本發明具體實施例的結構尺寸示意圖。

圖4-1和圖4-2分別是天線的輻射貼片只是矩形結構即作為原始天線時的結構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型結構時的結構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型結構和矩形結構時的結構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構時的結構示意圖和其回波損耗隨頻率變化曲線圖。

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

圖9是本發明天線在不同彎曲程度下的回波損耗隨頻率變化曲線圖。

附圖標記：1-接地板2-介質基板3-饋電網絡4-U型輻射貼片5-H型輻射貼片 6-矩形輻射貼片

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的描述：

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、介質基板2、饋電網絡3和輻射貼片，PDMS(聚二甲基硅氧烷)作為一種高分子有機硅化合物。具有光學透明，且在一般情況下，被認為是惰性，無毒，不易燃的。本實施例中選擇了厚度為2mm的PDMS(ε_r＝2.65,tanδ＝0.02)材料作為介質基板2，介質基板2的相對介電常數為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。饋電網絡3采用典型的微帶線饋電結構，接地板1是由三塊貼片構成，其中兩塊設在介質基板2頂部，另一塊設在介質基板2的底部；天線的整體形狀如圖1所示，天線采用側饋方式，輸入阻抗為50Ω，很好的實現了阻抗匹配。

本實施例中的天線是通過蝕刻方法制作在規格尺寸為24mm*38mm*2mm的介質基板2上，接地板1刻蝕于介質基板2一側，介質基板2的另一側刻蝕有饋電網絡3和輻射貼片，饋電網絡3由微帶線構成，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的兩側底部相對稱地設有梯形結構。

如圖3所示為本發明天線經過優化設計后的具體的尺寸，參數如下：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，介質基板2厚度為2mm。

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

利用全波電磁仿真軟件HFSS，分別對天線引入H型結構和矩形結構設計、階梯形結構設計與優化、天線彎曲條件下性能測試三個方面進行了仿真和優化。

圖4-1為未經任何修改優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天線基礎上對輻射貼片進行挖槽形成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。輻射貼片長度未發生變化，相當于是變為了寬度變小的輻射貼片，因此諧振頻率會有所變化，諧振點由3.5GHz變為3.7GHz。此外，通過對天線尺寸進行進一步優化，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性能大幅度提升。

圖6-1為在圖5-1基礎上引入多頻設計即引入H型結構和矩形結構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內部增加H型輻射貼片5和矩形輻射貼片6結構使得天線在2.32-2.45GHz頻段內也可發生諧振，在2.4GHz處回波損耗達到-18dB,可進行信號輻射，從而使該天線變為雙頻天線。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生了變化，第二諧振點由3.7GHz變為3.9GHz，帶寬也有所縮短，為3.2-5GHz。

圖7-1為引入階梯形結構進行優化后的天線，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構，增加了天線的電流路徑，并且增強了貼片的阻抗匹配，最終使得天線的帶寬變寬，回波損耗值大大降低。可以看到，階梯形結構的引入，使得天線在第一諧振頻率2.4GHz處的回波損耗值降為-32dB,而第二諧振點變為4GHz，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顯示了本發明天線在不同的彎曲半徑下回波損耗與工作頻率的關系圖。可以看出在半徑為18mm時，天線回波損耗有所提升，第一諧振點和第二諧振點處回波損耗皆增為-20dB左右,帶寬有所縮減，但是依然能夠保證雙頻下的穩定工作。半徑為14mm時，性能進一步降低，直至降到10mm時，第一諧振點頻率已經偏移，回波損耗也大大提升，基本喪失工作能力。但是第二諧振點4.0GHz處還能保持工作性能，只是帶寬縮減至3.2-4.8GHz。

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