一种紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线

摘要

本发明公开了一种紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线，其特征在于：是在一矩形柔性基体的下表面设置有矩形接地平面，上表面设置有辐射贴片；辐射贴片和接地平面均以石墨烯为材质。本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线具有结构紧凑、易于共形、便于穿戴等优点。

说明书

技术领域

本发明属于天线领域，具体设计涉及一种紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展以及可穿戴消费电子的兴起，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。人体无线通讯系统第四代移动通信的重要组成部分，在医 疗康复、健康监测、体育运动以及消防安全等领域发挥着重要的作用。自赫兹和马可尼发明 天线以来，天线在人类的社会生活中扮演者重要的角色。天线是发射和接收电磁波的一个重 要的无线电设备，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。 为满足个人通信技术对天线特性的要求，研究一种具备柔性、可穿戴特点的天线显得尤为重 要。

所谓可穿戴天线，首先要求天线具备柔性特点，能够很好地穿戴于人体或与其他可穿戴 设备共形，通过将天线附着于衣物、穿戴设备上，实现无线通信。可穿戴天线最早可追溯到 用于军队战术通信的鞭状天线，这种天线基于尺寸原因，很容易暴露目标，较为理想的可穿 戴天线应具备质轻便携、稳定可靠、易于共形等特点。对于柔性可穿戴天线研究更为倾向于 低轮廓的印刷天线，尤其是贴片天线和缝隙天线，这两种平面结构的天线因具备质量轻、剖 面低、体积小等优势在可穿戴天线研究中备受关注。

目前，国内对于天线的研究绝大多数处于以FR4(玻璃纤维环氧树脂板)、RT5880/RT6002和 F4BM微波介质板为基材，这类天线通常不可弯曲，可穿戴性差。国内对于柔性可穿戴天线 的研究较少，电子科技大学的徐凌提出了一种基于导电织物可穿戴天线，该天线工作于 2.45GHz，具备轻便、易携带、隐蔽性好等特点。西安电子科技大学的赵程光利用柔性铜箔设 计了一种可穿戴偶极子天线，却存在不易穿戴、共形性差等弊端，有待进一步完善。程春霞 等人介绍了一种能与服装完全共形的柔性微带线，天线材质选用常规的毛毯和铜箔，并对天 线在平放和弯曲条件下进行性能测试。

总结国外对于柔性可穿戴天线的研究具备如下特点，其柔性基体通常采用聚酰亚胺 (polyimide,PI)、高分子聚合物(polydimenthysiloxane,PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (polyethyleneglycolterephthalate,PET)、丝织物(Textle)等几类，导电材质主要为金属导电液、 银纳米线(AgNW)、碳纳米管(CNTs)以及金属纳米颗粒等。美国北卡罗来纳州大学的JuHeeSo 等人以PDMS为柔性介质，将液态金属注入预留管道以制备柔性偶极子天线，该天线具有机 械弯曲与可重构特点。对于填充液态金属类柔性天线，通常存在柔性介质破损时会导致液态 金属泄露等弊端。SongLingnan等人介绍了一种AgNW/PDMS可拉伸特点的柔性矩形微带天 线，银纳米线成为研究新型可穿戴或透明天线的首选，却因价格昂贵不易大规模推广。铜或 铝等金属纳米粒子价格较银纳米线低廉却存在易于氧化的缺点。

近期，曼彻斯特大学的研究人员提出了利用石墨烯在衣服上打印出天线的方法，与传统用 金属制造天线的方法相比，该方法更加便宜、灵活，同时导电性能提升了近50倍。佐治亚理 工学院的研究员称，新型石墨烯天线不像铜或其他材料，石墨烯使用较少的能源就能运作， 由于石墨烯的蜂窝结构，其表面产生电子表面波的范围也最广，其通信距离亦将得到进一步 提升。HuangXianjun等人提出了一种石墨烯偶极子天线，并通过仿真和测试对其性能进行验 证。由此可见，石墨烯作为新一代功能材料，具有高导电性、质量轻、结构坚硬以及透明性 等优势，成为研究柔性可穿戴的天线焦点。

发明内容

本发明提出了一种中心频率为2.45GHz、结构紧凑的柔性可穿戴天线结构，利用石墨烯 制备高导电辐射贴片，以PDMS为柔性基体，旨在解决现有非柔性天线不易共形、可穿戴性 差等问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线，其特点在于：是在一矩形柔性基体的下 表面设置有矩形接地平面，上表面设置有辐射贴片；所述辐射贴片和所述接地平面均以石墨 烯为材质。

本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线，其特点在于：

所述辐射贴片呈“T”形，且“T”形的“︱”部分底边与所述接地平面的一长边及所述 柔性基体的一长边相对齐；

在所述“T”形的“—”部分的底边上、位于“︱”部分的两侧对称开设有两“︱”形缝 隙；在所述“T”形的“—”部分上开设有开口朝向“—”部分底边的“E”形缝隙；两“︱” 形缝隙和“E”形缝隙呈叉指结构。

为了良好地满足工程性能需求，本发明的紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线的尺寸 设置为：

所述柔性基体长40mm、宽35mm、厚度2mm；所述接地平面长40mm、宽10.5mm； “T”形辐射贴片的“—”部分长25mm、宽17.6mm，“︱”部分长12mm，宽8.8mm；

所述“E”形缝隙的底边长22mm、宽1mm，三个伸出端的长为6.5mm、宽1mm，三个 伸出端的顶部与“T”形的“—”部分的底边的距离为2mm；两“︱”形缝隙长6.5mm、宽 1mm，两“︱”形缝隙相邻边的间距为10.8mm。

所述紧凑型辐射贴片中的缝隙宽度均为1mm，“E”形缝隙中心线与“T”形辐射贴片“︱” 部分中心线共线。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、与传统非柔性基材天线相比，本发明的紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线采用 PDMS为柔性基体，采用石墨烯制备高导电性柔性薄膜用作辐射贴片和接地平面，具有结构 紧凑、质轻便携、易于共形以及可穿戴优点。

2、本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线分别采用3D打印技术和丝网印刷技术 制备PDMS柔性基体和石墨烯导电薄膜，并层层组装成石墨烯天线，整个过工艺程流程简单， 操作方便。

3、本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线在实现传统非柔性天线的功能基础上， 在发生一定弯曲或扭转时仍可满足工程要求，且柔软度与可穿戴性远优于传统铜质天线，可 灵活安装在设备内外以及弯曲部位。

附图说明

图1是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线结构图；

图2是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线尺寸参数图；

图3是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线剖面结构图；

图4是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线沿X和Y轴弯曲示意图；

图5是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线平放与沿X和Y轴弯曲时S₁₁仿真 结果；

图6是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线驻波比仿真结果图；

图7是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线在平放和弯曲状态时XZ平面 (E_Plane)增益方向图；

图8是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线在平放和弯曲状态时XY平面 (H_Plane)增益方向图；

图9是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线PDMS柔性基体模型；

图10是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线矩形馈电面位置示意图；

图11是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线实际测量与仿真结果对比图；

图12是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线的Smith图。

图中标号：1辐射贴片；2柔性基体；3接地平面；4弯曲基材；5柔性基体模具；6矩形 馈电面。

具体实施方式

如图1所示，本实施例紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线结构为：在一矩形柔性基 体2的下表面设置有矩形接地平面3，上表面设置有辐射贴片1；

辐射贴片1呈“T”形，且“T”形的“︱”部分底边与接地平面3的一长边及柔性基 体2的一长边相对齐；在“T”形的“—”部分的底边上、位于“︱”部分的两侧对称开设 有两“︱”形缝隙；在“T”形的“—”部分上开设有开口朝向“—”部分底边的“E”形 缝隙；两“︱”形缝隙和“E”形缝隙呈叉指结构。

辐射贴片1和接地平面3均以石墨烯为材质，柔性基体以PDMS为材质。

本实施例的紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线具有结构紧凑、质轻便携、易于共形 等优势，为适应可穿戴设备对天线性能的需求提供了一种可行性设计方案，为验证其工作性 能，做实例如下：

首先，提出天性性能参数需求如下：中心频率为2.45GHz，驻波比VSWR<1.5，回波损 耗S₁₁<-10dB，具备柔性且一定弯曲条件下仍可继续工作，即中心频率和回波损耗应在工程应 用需求范围内。依据上述设计需求，提出图1中天线结构，并借助三维结构电磁场仿真软件 ANSYSHFSS对其进行建模与仿真，经对天线尺寸参数进行扫频分析，优化后的天线天线尺 寸参数如图2所示：

柔性基体2长40mm、宽35mm、厚度2mm；接地平面3长40mm、宽10.5mm；“T” 形辐射贴片1的“—”部分长25mm、宽17.6mm，“︱”部分长12mm，宽8.8mm；

“E”形缝隙的底边长22mm、宽1mm，三个伸出端的长为6.5mm、宽1mm，三个伸出 端的顶部与“T”形的“—”部分的底边的距离为2mm；两“︱”形缝隙长6.5mm、宽1mm， 两“︱”形缝隙相邻边的间距为10.8mm。

优化后的天线结构在2.45GHz工作频率处其回波损耗S₁₁值约-40dB。同时，为了验证该 结构天线在弯曲状态下的工作性能，以柔性基体的宽度方向为X轴、以柔性基体的长度方向 为Y轴、以柔性基体的厚度方向为Z轴，在本实施例中利用ANSYSHFSS软件对其建立弯 曲状态时模型并进行仿真分析，图4是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线沿X轴 (左图)和Y轴(右图)弯曲时的模型，仿真时采用弯曲基材4的弯曲半径为40mm。图5 为本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线在平放、沿X弯曲及沿Y轴弯曲时回波损耗 S₁₁仿真结果，从图5中可以看出，当天线分别沿X轴和Y轴弯曲时回波损耗S₁₁的值约为 -15.4dB和-14.6dB，中心频率沿低频方向发生轻微偏移，而2.45GHz仍处于-10dB带宽范围内， 满足工程应用需求。图6是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线驻波比VSWR仿真 结果，在中心频率2.45GHz处其VSWR值约为1.22，使用Rohde&SchwarzZNB8矢量网络 分析仪(VectorNetworkAnalyzer,VNA)测量值为1.28，均低于1.3，达到了良好的匹配效果(反 射率约0.83％)。图7和图8分别是本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线在平放、沿 X轴方向弯曲与Y轴方向弯曲下XZ平面(E_Plane)和XY平面(H_Plane)增益方向图。

通过上述仿真分析可以看出本实施案例中的紧凑型天线具有良好的工作性能，为进一步 验证其在实际工程应用中的性能，本发明以PDMS(184,DowCorning)为柔性天线基 体，石墨烯(Grat-Ink-101N,BGTMaterialsLimited)制备高导电性薄膜用作辐射贴片和接地平 面。

柔性基体2制备流程如下：柔性可穿戴石墨烯天线以PDMS以柔性基材，美国道康宁 Sylgard184硅橡胶室温下基本组分与固化剂按质量比10:1可固化为具有韧性的透明弹性体， 且固化时不放热、收缩量小以及良好的耐辐射性能。鉴于其具备低损耗角、良好的物理及电 学特性成为制备可穿戴天线柔性基体2的首选，其相对介电常数为2.65，损耗角为0.02。基 于PDMS室温下具有流体成型特点，并依据ANSYSHFSS仿真软件对柔性天线优化后的尺寸 参数，本实施案例中利用SolidWorks三维建模软件绘制本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石 墨烯天线所需柔性基体模具5，并将柔性基体模具导出.stl格式后使用美国高精度(层分辨率 为100um)MakerBotReplicator3D打印机打印柔性可穿戴石墨烯天线的柔性基体模具5，柔 性基体模具材料可选择ABS或PLA工程塑料。本实施例紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯 天线所需的柔性基体模具5如图9所示。将按固化比例均匀混合后的PDMS液体注入柔性基 体模具5，并将柔性基体模具置入真空干燥箱(DZF-6021，上海索普仪器有限公司)进行抽 真空除去PDMS基体中的气泡并室温固化后脱模即可获得所需柔性基体2。

辐射贴片1和接地平面3的制备流程如下：表1给出了几种常用天线辐射贴片1和接地 平面3材料的导电性对比，从表1中可以看出，石墨烯具有优异的导电性能，且具备良好的 柔软性。为了满足良好的共形效果以及高导电性，本实施例使用石墨烯(Grat-Ink-101N,BGT MaterialsLimited)制备辐射贴片1和接地平面3所需高导电性柔性薄膜。Grat-Ink-101N导电 “石墨烯墨水”是一款无胶黏剂导电溶液，在80℃下约6min可以自行固化，固化后方阻约 为9Ω/□。从成膜后的石墨烯扫描电子显微镜(SEM)图中可以看出，石墨烯纳米片之间以及 层与层之间存在一定间隙/气孔。依据BGTMaterialsLimited提供的产品指导手册，为进一步 提升石墨烯纳米片薄膜的导电性能，本实施例对成型后的石墨烯纳米片薄膜进行压缩，提升 石墨烯纳米片薄膜的致密度，使得层层间接触更加良好，压缩后的石墨烯纳米片薄膜方阻约 为3.6Ω/□(压缩率为50％左右)。在掌握提升石墨烯纳米片薄膜导电性之后，利用丝网印刷 技术可以方便制备本实施例紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线结构，然后施加压力压缩 石墨烯纳米片薄膜获得辐射贴片1和接地平面3。

表1材料导电性对比

本实施例2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线制备流程如下：通过上述工艺流程获得柔性基 体2、辐射贴片1和接地平面3后，接下来便可采用层层组装方式制备柔性可穿戴石墨烯天 线。通过在辐射贴片1和接地平面3一表面涂抹一层(厚度可忽略不计)PDMS作粘黏剂， 分别放置柔性基体2两面对应位置处，待PDMS粘黏剂固化即可获得所需紧凑型2.45GHz柔 性可穿戴石墨烯天线。此外，为能够使用网络分析仪实际测量进行性能评估，需要在柔性石 墨烯天线矩形馈电面6处用YC-01环氧树脂型导电银胶(南京喜力特胶黏剂有限公司)连接 SMA(Sub-Miniature-A)插座与测试线相接，矩形馈电面6位置示意图如图10所示。

在进行天线性能测试前，需要使用校正器件对网络分析仪进行Open、Short、Match和Thru 模式校正。校正完毕，将本实施例的紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线与网络分析仪相 接，实际测量与仿真本发明紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天线的回波损耗S₁₁如图11所 示。由图11中可得，实际测量本实施例中石墨烯天线在中心频率2.45GHz时回波损耗S₁₁约 -32dB，-10dB带宽约300MHz。同时，其驻波比约1.28(<1.5)。图12为本实施例紧凑型2.45GHz 柔性可穿戴石墨烯天线的Smith图，其归一化阻抗为1.0508-0.1967i(如图12中m1中标记)， 达到较好的匹配效果，上述测试与仿真结果表明，本实施例紧凑型2.45GHz柔性可穿戴石墨 烯天线的性能满足工程应用需求。