[发明专利]一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线

说明书

本发明公开了无线移动通信领域的一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，所述天线包括三层毛毡基板和四层聚酰亚胺薄膜电路，金属结构被印刷在聚酰亚胺薄膜上，金属结构有四层，四层金属层从下到上依次为微带线层、缝隙耦合层、均匀的超表面层和非均匀的堆叠贴片层。本发明天线有效抑制了高次模式方向图的畸变，在高频段保持良好的宽边辐射特性，还具有很宽的匹配带宽，天线增益稳定，3 dB增益带宽超过49%；整体由柔性材料加工，尺寸较小、适合穿戴，具有较强的鲁棒性，性能受柔性基板形变的影响较小，而且天线受人体组织影响小，电磁辐射吸收率在安全范围内。

技术领域

本发明属于无线移动通信领域，具体涉及一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线。

背景技术

在无线通信技术不断发展的背景下，无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）的研究也越来越多，通过灵活地接收和处理来自可穿戴设备及传感器的人体信号，无线体域网可以广泛地应用于监控医疗、运动训练和军事应用中，考虑到工作场景的特殊性，可穿戴天线相比于传统的天线需满足更多的要求。

首先，为了不影响穿戴的舒适性，天线应由柔性材料加工，并且性能受形变影响小，其次，小型化及宽带化的可穿戴天线将有助于系统的紧凑性设计，并且能有效抵抗人体组织加载带来的频偏现象，在动态变化的人体环境中维持稳定、良好的性能，再者，可穿戴天线需要与人体组织之间有较低的耦合，这不仅可以提高天线辐射效率和增益，降低节点功耗，还有助于减小比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR），使人体免受电磁辐射侵害。

超表面天线虽然具有低剖面、宽频带、高增益的优点，完美契合可穿戴天线的需求，但在频率较高时，由于高次模式的激发，其辐射方向图会发生畸变，此外，超表面天线通常具有较大的体积，影响了该天线在可穿戴天线中的应用前景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种改善高次模式辐射特性的小型化柔性可穿戴天线，所述天线包括三层毛毡基板和四层聚酰亚胺薄膜电路，金属结构被印刷在聚酰亚胺薄膜上，金属结构有四层，四层金属层从下到上依次为微带线层、缝隙耦合层、均匀的超表面层和非均匀的堆叠贴片层。

优选地，所述毛毡基板的介电常数为1.26，损耗角正切为0.02，聚酰亚胺薄膜的厚度为0.07mm，介电常数为3.4，损耗角正切为0.008。

优选地，三层所述毛毡基板从下到上依次厚度为1 mm、3 mm和1 mm。

优选地，所述微带线层为Y型的微带线结构，包括一段长度为Lf1的50 Ω微带传输线和两段长度为Lf3的微带臂，两臂间距离为Lf2；

所述缝隙耦合层通过在金属层中间位置刻蚀一个长度为Lss，宽度为Wss的矩形槽形成；

所述超表面层由一组4×4的贴片阵列组成，单元边长为L1，单元间隙为g；

所述堆叠贴片层为将大小不等的贴片放置在方形金属层各单元间形成的横向缝隙的正上方，根据大小分为两组，其中位于中间的两列单元大小为L2×W2，并且中间两个单元通过两根直径为d的铜丝与下层进行短接，边缘两列大小为L3×W3。

优选地，所述天线的具体参数为：Ws=50mm，W1=7mm，W2=7mm，W3=7mm，Wf1=4.6mm，Wf2=1.4mm，Wss=1.5mm，L1=7mm，L2=6.8mm，L3=7.5mm，Lf1=21mm，Lf2=11.4mm，Lf3=10.3mm，Lss=17.5mm，d=1.2mm，dsp=1mm，g=1mm。

优选地，所述天线通过加载短路柱抑制超表面天线高次辐射模式方向图的畸变。