[发明专利]基于特征模理论优化的超表面可穿戴微带天线及优化方法

说明书

本发明提出的一种基于特征模理论优化的小型超表面可穿戴微带天线，基于特征模理论优化超表面结构单元贴片阵列排布，实现天线的结构优化，具有结构简单，辐射特性好，成本低，应用前景广阔等优点，满足在可穿戴无线通信领域的应用要求。包括微带天线层和超表面层；所述超表面层包括介质层5和位于介质层5上表面的通过特征模理论优化的超表面结构单元贴片阵列6；所述微带天线层包括介质基层1和位于介质基层1的上表面的导电贴片2，所述超表面层位于微带天线层的上表面，所述超表面层的介质层5与微带天线层的导电贴片2贴合，所述导电贴片2的边沿上伸出条状馈电微带线3。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于特征模理论优化的超表面可穿戴微带天线及优化方法。

背景技术

近几十年来，在无线通信技术领域，无线体域网(WBAN)的应用前景越来越受到人们的关注，考虑到WBAN的各种可穿戴应用场景，可穿戴天线是通信中的关键设备。为了保证人体的穿着舒适性，可穿戴天线的材料一般要求为柔性材料，这就出现了天线增益低、尺寸过大等问题。人们对于可穿戴设备的研发越来越感兴趣，一些显著的低剖面、柔韧性好、穿戴舒适的天线逐步被提出，这种天线在医疗、运动设备、身份识别系统等领域具有巨大的潜力。2.4GHz的ISM频段是实现这一目标的首选，因为存在许多低功耗通信的统一标准(如BLE、ZigBee)。

超表面是一种低轮廓、易制造的二维超材料，尽管超表面已经被提出和研究了几十年，但由于其在控制电磁波方面的显著优势，仍然引起了科学家和工程师的关注，在天线设计中具有很大的优势，已被广泛应用。将超表面置于天线的上方是一种提高天线增益、扩展阻抗带宽的有效方法。同时，适当地加入超表面可以获得天线尺寸的小型化。然而，现有的超表面分析方法主要是从单个结构单元到整个阵列的近似估计，很少有对整体的结构单元进行系统性的全面优化，它也不能解决只有部分超表面结构单元与天线耦合的问题。因此，需要从根本上探索超表面天线的辐射机理，进而优化结构单元。

特征模理论结合应用较为广泛的矩量法以及本征模理论来求解电磁问题，可以利用相互正交的各个特征模直观地为天线设计提供工程参考，因此在天线设计中得到越来越多的重视，已经部分应用于超表面覆层天线的设计及分析中，其应用潜力有待于进一步的挖掘。特征模理论提供了一种基于特征模的表面电流分布和辐射特性的天线设计方法，与其他方法相比具有更深的物理意义和研究深度。通过调整结构单元的形状、尺寸及排布，可以选择性地激发所需要的特征模，并且抑制一些不必要的特征模，是提高天线性能的一种有效途径。

发明内容

本发明提出一种基于特征模理论优化的超表面可穿戴微带天线及优化方法，基于特征模理论优化超表面结构单元贴片阵列排布，实现天线的结构优化，成本低，应用前景广阔。

本发明的技术方案是：

1.一种基于特征模理论优化的超表面可穿戴微带天线，其特征在于，包括微带天线层和超表面层；所述超表面层包括介质层5和位于介质层5上表面的通过特征模理论优化的超表面结构单元贴片阵列6；所述微带天线层包括介质基层1和位于介质基层1的上表面的导电贴片2，所述超表面层位于微带天线层的上表面，所述超表面层的介质层5与微带天线层的导电贴片2贴合，所述导电贴片2的边沿上伸出条状馈电微带线3。

2.所述微带天线层的介质基层1和导电贴片2的形状均为矩形，导电贴片2的短边上伸出条状馈电微带线3，条状馈电微带线3两边开有对称的阻抗匹配开槽4。

3.所述超表面层的介质层5的形状为矩形，所述超表面结构单元贴片阵列6为由九个超表面结构单元贴片均匀排布构成的3×3阵列经特征模理论优化后去除中间行的六个超表面结构单元贴片构成的2×3阵列。