柔性可形变射频天线的研究与设计

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近年来,以可弯曲、可拉伸为特点的可延展柔性电子器件因其在人体健康监测、共形集成等领域的巨大应用潜力受到了广泛的关注。实现可延展柔性电子器件的无线通信和供能对进一步提高可延展柔性电子器件的应用便利性,拓宽器件的应用场景有重要的意义。要实现这一目标,设计和制备体积小、质量轻、柔韧性好的小型化天线是一个关键的环节。本文基于单极子天线和非频变天线的基本理论和模型,对可用于柔性电子器件的可形变射频天线的设计与制备进行了较为系统的研究。首先,本文对具有相同长度和不同形状且工作在2.5 GHz频段的单极子天线在拉伸形变下的回波损耗和方向图两个基本性能与形变的关联性进行了仿真计算和分析。结果表明,对于具有不同形状的单极子天线,天线的工作频率在拉伸后均会发生左移,且频率的左移幅度与施加的拉伸应变呈正相关。但是在施加拉伸应变后,天线的方向图特性没有显著的改变。其次,基于非频变天线理论,以阿基米德螺旋天线作为基本天线构型,通过在阿基米德螺旋天线结构中融入等角螺旋线结构,设计了一种柔性阿基米德-等角螺旋天线。仿真计算结果表明,通过在阿基米德螺旋结构之前嵌入等角螺旋结构,可以在实现天线拉伸性的同时降低天线整体的输入阻抗至75Ω。进一步利用柔性覆铜PI(聚酰亚胺)板、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等材料,实际制备了柔性阿基米德-等角螺旋天线。在完成制备后,使用拉伸工作台和气球对天线在不同形变模式下的性能与形变量关联性进行了测试。测试结果表明,当天线水平拉伸7.9%时,其工作频率范围相比于未变形时无明显变化;当天线贴附于气球并在+Z方向产生10 mm的形变量时,其工作频率范围相比于未变形时也无明显变化。测试结果表明,在两种形变模式下,天线均能够使工作频率范围较稳定的保持在1.5 GHz-4.5GHz。同时通过电磁仿真软件和有限元仿真软件,分析了拉伸形变对天线方向性、增益、轴比等的影响,结果表明天线在拉伸的+Z方向上的方向性有所增强,而在-Z方向上的方向性有所减小,且天线增益在形变前后能保持稳定不小于3.5 dB,轴比仍满足圆极化要求,说明拉伸形变对本文所设计的天线影响较小。综上,本文基于单极子天线和非频变天线的基本理论和模型,讨论了单极子天线在拉伸作用下的天线形变与天线特性关联性,并设计和制备了一种工作在1.5GHz-4.5 GHz频段的柔性阿基米德-等角螺旋天线。对阿基米德-等角螺旋天线在不同形变模式下的工作频率、方向图、增益等性能参数进行了测试和计算。测试和计算结果表明,通过在阿基米德螺旋天线结构前嵌入等角螺旋结构,可以在实现天线可形变的同时,有效降低天线整体的输入阻抗,避免了硬质阻抗变换器在天线中的使用,保证了天线在具备机械拉伸性的同时,性能指标在拉伸状态下保持稳定。
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