一种柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线。


背景技术：

2.随着无线通信技术的蓬勃发展以及可穿戴电子设备的兴起，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。人体无线通讯系统作为现代移动通信的重要组成部分，在医疗辅助、健康监测、娱乐休闲以及消防救援等领域发挥着重要的作用。而天线作为发射和接收电磁波的不可或缺的无线电设备，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。为满足人体通信的质量及舒适度要求，研究一种具备柔性、轻质量、低剖面等特点的可穿戴天线显得尤为重要。
3.可穿戴天线的研究可大致分为以下三个方面：1、可穿戴天线模型的研究；2、可穿戴天线的材料应用；3、可穿戴天线与人体的交互影响。随着软件无线电的发展，vhf/uhf宽带全向天线的研究引起越来越多学者的关注。目前的可穿戴天线，主要包括单极子形式和微带贴片形式。单极子天线结构简单且易于实现宽带，但是这种类型的天线对人体影响较大(sar值较高)，且通常尺寸较大，安装不便。微带天线可实现人体与天线的隔离，但其本身带宽较窄，且天线的性能会随着形状的改变而降低。另外，可穿戴天线多为背负式天线，伸开后体积较大，士兵在穿越丛林等作战环境时极为不便，难以适应作战人员各类战术动作，且隐蔽性较差。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，包括：柔性介质基板以及设置在所述柔性介质基板上的辐射单元，所述辐射单元采用偶极子天线形式，包括上下对称设置第一导体和第二导体，其中，
6.所述第一导体包括连接的梯形部和矩形部，所述梯形部的上底靠近所述柔性介质基板的中心，下底与所述矩形部的第一长边连接，所述矩形部的第二长边靠近所述柔性介质基板的边缘，所述矩形部的长边与所述梯形部的下底的长度相同；
7.所述第一导体靠近所述柔性介质基板边缘的一侧间隔设置有若干矩形槽，所述矩形槽的深度从中心到两侧呈递减趋势，相邻所述矩形槽之间的间距相等。
8.在本发明的一个实施例中，所述第一导体与所述第二导体之间的间隔宽度≤10mm。
9.在本发明的一个实施例中，所述梯形部的上底长度为0.3λ
g
‑
0.45λ
g
，其中，λ
g
为介质波导波长。
10.在本发明的一个实施例中，所述矩形部的长边的长度为2.5λ
g
‑
3.8λ
g
，短边的长度≥12mm，其中，λ
g
为介质波导波长。
11.在本发明的一个实施例中，所述第一导体的矩形部的第二长边与所述第二导体的矩形部的第二长边之间的距离为λ
g
‑
1.6λ
g
，其中，λ
g
为介质波导波长。
12.在本发明的一个实施例中，位于中心处的所述矩形槽的深度为0.3λ
g
‑
0.48λ
g
，其中，λ
g
为介质波导波长；
13.所述矩形槽的深度从中心到两侧按照l＝l0*0.7
n
的指数规律依次减小，其中，l表示矩形槽的深度，l0表示位于中心处的矩形槽的深度，n表示以中心处的矩形槽为起始的单侧矩形槽的编号，位于中心处的矩形槽的编号为0。
14.在本发明的一个实施例中，所述矩形槽的宽度为0.075λ
g
‑
0.12λ
g
，其中，λ
g
为介质波导波长。
15.在本发明的一个实施例中，所述柔性介质基板的材料为柔性的聚酰亚胺材料。
16.在本发明的一个实施例中，所述辐射单元的材料为石墨烯导电薄膜材料。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
18.1.本发明的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，辐射单元采用宽带的偶极子天线形式，并加载对称、渐变的矩形槽结构，实现了较宽的阻抗带宽。
19.2.本发明的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，采用高导电率的石墨烯薄膜材料作为辐射单元材料，实现了可穿戴天线的轻质量特性。
20.3.本发明的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，利用柔性介质基板和石墨烯导电薄膜的柔性特质，使得可穿戴天线具有良好的耐弯折特性和化学稳定性，提升了可穿戴天线与衣物的贴合效果，以满足人体对衣物舒适度的要求。
21.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的一种柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的结构示意图；
23.图2是本发明实施例提供的一种辐射单元的结构示意图；
24.图3是本发明实施例提供的一种柔性介质基板的结构示意图；
25.图4是本发明实施例提供的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线加载于人体后的状态示意图；
26.图5是本发明的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线加载于人体前后的s11参数对比图；
27.图6是本发明的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线加载于人体前后的可实现增益对比图。
具体实施方式
28.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线进行详细说明。
29.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
30.实施例一
31.请结合参见图1
‑
图3，图1是本发明实施例提供的一种柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种辐射单元的结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种柔性介质基板的结构示意图。如图所示，本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，包括：柔性介质基板1以及设置在柔性介质基板1上的辐射单元2。辐射单元2采用偶极子天线形式，包括上下对称设置第一导体201和第二导体202。在本实施例中，第一导体201与第二导体202之间的间隔宽度g2≤10mm。柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的馈电点位于第一导体201与第二导体202之间的间隔中心位置处。
32.需要说明的是，在本实施例中，第一导体201和第二导体202上下对称设置，形成偶极子天线，第二导体202的结构与第一导体201结构相同，在此不再赘述，具体地以第一导体201为例对其结构进行具体说明。
33.具体地，第一导体201包括连接的梯形部2011和矩形部2012，梯形部2011的上底靠近柔性介质基板1的中心，下底与矩形部2012的第一长边连接，矩形部2012的第二长边靠近柔性介质基板1的边缘，矩形部2012的长边与梯形部2011的下底的长度相同。
34.在本实施例中，梯形部2011的上底l3的长度为0.3λ
g
–
0.45λ
g
，矩形部2012的长边l1的长度(也就是梯形部2011的下底的长度)为2.5λ
g
‑
3.8λ
g
，矩形部2012的短边w2的长度≥12mm，其中，λ
g
为介质波导波长，式中，c为真空中的光速，ε
e
为柔性介质基板的介电常数，f0为可穿戴天线的中心频率。
35.在本实施例中，梯形部2011和矩形部2012组成类梯形结构，类梯形结构的下底末端采用方角过渡，并将方角的宽度设置为≥12mm(也就是w2≥12mm)，可以避免天线与人体共形之后因天线交叠造成的性能下降问题。
36.在本实施例中，第一导体201的矩形部2012的第二长边与第二导体202的矩形部2012的第二长边之间的距离w1为λ
g
‑
1.6λ
g
，其中，λ
g
为介质波导波长。
37.需要说明的是，柔性介质基板1作为辐射单元2的支撑结构，柔性介质基板1的长度l和宽度w应该大于等于辐射单元2的长度(也就是l1)和宽度(也就是w1)，这样才能保证辐射单元2有介质支撑。
38.进一步地，第一导体201靠近柔性介质基板1边缘的一侧间隔设置有若干矩形槽2013，矩形槽2013的深度从中心到两侧呈递减趋势，相邻矩形槽2013之间的间距相等。
39.具体地，位于中心处的矩形槽2013的深度l0为0.3λ
g
‑
0.48λ
g
，其中，λ
g
为介质波导波长。矩形槽2013的深度从中心到两侧按照l＝l0*0.7
n
的指数规律依次减小，其中，l表示矩形槽的深度，l0表示位于中心处的矩形槽的深度，n表示以中心处的矩形槽为起始的单侧矩形槽的编号，位于中心处的矩形槽的编号为0。
40.在本实施例中，矩形槽2013的宽度均相等，其宽度g1为0.075λ
g
‑
0.12λ
g
，其中，λ
g
为介质波导波长。
41.在本实施例中，设置的深度从中心到两侧呈递减趋势的矩形槽2013，延长了电流
路径，增加了天线电长度，从而实现较宽的阻抗带宽。
42.需要说明的是，在本实施例中，矩形槽2013的个数根据辐射单元2的长度、矩形槽2013的宽度以及相邻矩形槽2013之间的间隔距离决定，同时兼顾考虑辐射单元2的结构稳定性，具体个数在此不做限制。
43.进一步地，在本实施例中，柔性介质基板1的材料为柔性的聚酰亚胺材料，以保障整个天线的柔性特质及满足人体的舒适度要求。
44.进一步地，在本实施例中，辐射单元2的材料为石墨烯导电薄膜材料，用以减轻整个天线的重量，并使天线具有良好的耐弯折性和化学稳定性。可选地，辐射单元2采用体电导率为1100000s/m，厚度为25μm的石墨烯导电薄膜。
45.在本实施例中，辐射单元2采用平面形式，可以降低高导电率石墨烯带来的损耗。
46.本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，辐射单元采用宽带的偶极子天线形式，并加载对称、渐变的矩形槽结构，实现了较宽的阻抗带宽。另外，采用高导电率的石墨烯薄膜材料作为辐射单元材料，实现了可穿戴天线的轻质量特性。
47.本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，利用柔性介质基板和石墨烯导电薄膜的柔性特质，使得可穿戴天线具有良好的耐弯折特性和化学稳定性，提升了可穿戴天线与衣物的贴合效果，以满足人体对衣物舒适度的要求。
48.实施例二
49.本实施例将实施例一中的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线联合人体进行仿真，以评估人体对天线性能的影响。
50.具体地，辐射单元2采用体电导率为1100000s/m，厚度为25μm的石墨烯导电薄膜。
51.本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的结构参数如下：辐射单元2的长度为1000mm(也就是l1＝1000mm)，宽度为408mm(也就是w1＝408mm)。第一导体201与第二导体202之间的间隔宽度g2＝8mm。矩形部2012的短边w2＝18mm，梯形部2011的上底l3＝120mm。天线的馈电点位于第一导体201与第二导体202之间的间隔中心位置处。
52.单边的矩形槽2013的个数为9个，矩形槽2013的宽度g1＝3cm，矩形槽2013的深度从中心到两侧按照l＝l0*0.7
n
的指数规律依次减小，位于中心处的矩形槽2013的深度l0＝120mm。
53.柔性介质基板1采用介电常数ε
e
＝3.5的聚酰亚胺材料。柔性介质基板1的长度l和宽度w与辐射单元2的长度和宽度相等，即，l＝1000mm，w＝408mm，柔性介质基板1的厚度d＝0.05mm。
54.使用电磁场全波仿真软件ansys hfss 19.2对上述柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线与人体进行联合仿真，其中工作频段为vhf/uhf的100
‑
900mhz。请参见图4，图4是本发明实施例提供的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线加载于人体后的状态示意图，其中，人体采用xfdtd仿真软件代理商未尔科技提供的人体模型，天线加载于人体的腰部位置，(a)图为正视图，(b)图为背视图。
55.仿真内容：
56.仿真1，对本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的s参数分别进行仿真，请参见图5，图5是本发明的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线加载于人体前后的s11参数对比图。图中横坐标为频率，单位为mhz，范围为从100
‑
900mhz，中心频率为500mhz，纵坐标
为s参数幅度的分贝值，单位为db，范围为
‑
35db
‑
0db，s11代表馈电端口的反射系数。
57.由图5可知，未与人体共形时，本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线在100
‑
900mhz大部分频段s11<
‑
5db(对应的vswr<3.5)，这说明该柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线在较宽的频段内阻抗匹配较好，在频段内实现能量的有效传输。加载于人体腰部后，由于人体可看作高介电常数的有耗导体，柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的谐振特性变好，带宽得到了改善，全频段驻波比vswr<3.5，这表明本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线具有宽频带的特性。
58.仿真2，对本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的可实现增益进行仿真，请参见图6，图6是本发明的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线加载于人体前后的可实现增益对比图。图中横坐标为频率，单位为mhz，范围为从100
‑
900mhz，中心频率为500mhz，纵坐标为可实现增益幅度的分贝值，单位为db，范围为
‑
10db
‑
8db。
59.由图6可知，本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线单独仿真时，全频段增益几乎全满足大于
‑
2db，最大可实现增益接近8db；柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线穿戴在人体腰部后，由于人体的阻挡和吸收，柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线的可实现增益有所下降，但能实现平均增益约为
‑
1db，这表明本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线具有良好的辐射特性。
60.本实施例的柔性宽带偶极子可穿戴石墨烯天线，解决了现有短波、超短波频段可穿戴天线带宽较窄、重量较大的问题，辐射单元采用石墨烯导电薄膜代替传统金属，介质层采用柔性的聚酰亚胺材料，保证了天线良好的柔性特质，减轻了天线的重量。
61.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。