柔性准各向同性电小天线研究

摘要

与一般的全向天线仅仅可以实现某一个平面内360°各个方向实现通信所不同，准各向同性天线的信号可以完美覆盖整个三维空间，实现所有来波方向信号的接收。由于现代通信技术的飞速发展，体域网、物联网各种概念的提出，设备的移动就变得越来越重要，所以如何设计和开发出适宜于各种应用环境的天线就变得愈发的紧迫。众所周知，人类健康和日常生活是人们最为关心的两个方面，这样就要求天线不仅具有轻量化的特性，还要尽可能的适应人体表面和物体表面，来对各种健康情况和物理条件的变化进行监控。所以小型化的柔性天线成为了最好的选择，柔性准各向同性全向天线不仅可以实现全空间的覆盖，还可以实现物体移动时候，信号源位置变化后的信号接收，通过将天线共形于空间受限的物体表面和人体表面，都具有广泛的应用前景。　　本文提出了一种结构相当简单的低成本、柔性、单层平面、电小的准各向同性天线，并进行了相关的实验研究。主要完成了以下工作：　　（1）通过对比各种柔性天线的制作材料，选择适合于制造准各向同性天线的PDMS（Polydimethylsiloxane）基板。加工PDMS薄膜，在此过程中，通过控制热固化温度，去气泡时间，退火温度和时间，使PDMS薄膜硬度达到实验要求。比对各种导电材料金属，从材料的制备过程和可获得性上选择了银胶作为导电介质，期间对纳米银线的喷涂和涂布方式进行了相关研究，再通过实验情况确定天线加工使用涂布的方式生成辐射结构，将银胶附着到PDMS基底上，进而形成可以共形的准各向同性天线结构。　　（2）设计并仿真电小准各向同性天线结构。该款天线由一对激励条带和一个裂口环谐振器（SRR：Split Ring Resonator）组成，并且所有结构都在基板的同一侧，该裂口环在开口方向一侧有两条向内折叠的条带。该裂口环谐振器可以产生一对等效的电偶极子和磁偶极子，因而可以实现分别指向x轴和y轴的全向辐射方向图，并且其可实现增益的幅度几乎相等。通过等效的电偶极子和磁偶极子之间的正交辐射方向图相互叠加，最终该天线可以形成准各向同性辐射方向图。在仿真过程中，通过改变天线的各项参数，可以使天线工作在不同的频率，进而满足不同环境的工作需求；通过改变相关的材料参数，可以改变天线的辐射效率等。　　（3）加工天线并进行相关测试。为了测试的准确性，在天线的同轴部分加入了一个1/4λ的一个套筒巴伦。测试结果与仿真结果非常吻合，在整个辐射球体上最大增益差值约为3dB，可以实现电小尺寸（0.154×0.154×0.0004λ3，ka=0.68），整体效率为77%。此外，该天线也进行了相关的柔性测试，将天线贴附在泡沫圆柱体表面与之共形，通过改变圆柱体的半径来改变天线的弯曲程度，进而测试天线的各项性能，天线的性能特征总体上保持不变，从而证明天线在弯曲/折叠的情况下的性能的稳定性。　　上述天线的仿真和优化过程均由Ansoft公司高频电磁仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）完成，反射系数用Keysight Vector NetworkAnalyzer测得，天线的远场各项参数用SATIMO暗室进行相关测试。

目录

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1 柔性共形电子器件

1.1.2 柔性透明天线

1.1.3 准各向同性天线

1.2国内外研究现状

1.2.1 柔性透明电子器件和柔性天线

1.2.2 准各向同性天线

1.3内容安排

2 天线基础理论

2.1引言

2.2辐射方向图

2.2.1 各向同性、定向和全向方向图

2.2.2 方向性

2.3效率

2.4增益

2.5极化

2.6本章小结

3 基于纳米银线柔性天线的加工和设计

3.1纳米银线和PDMS 制备

3.2柔性纳米银线天线的制备过程

3.3天线实物和天线测试

3.4 本章小结

4 准各向同性天线的设计

4.1准各向同性天线的结构

4.2准各向同性天线的制作

4.3准各向同性天线的性能及分析

4.4.1 偶极子的辐射性能

4.4.2 磁电偶极子相互叠加形成准各向同性辐射

4.4.3 准各向同性天线结构分析

5 总结与展望

5.1本文总结

5.2工作展望

参考 文 献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间发表的专著章节目录

C．作者在攻读学位期间申请的专利目录

D．作者在攻读学位期间参加的科研项目

E. 学位论文数据集

致谢