柔性低剖面体表无线通信天线设计

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应用于无线体域网的天线主要用来收集人体生理信息,需要工作在人体周围甚至内部,而人体组织是一种高损耗的色散介质,会恶化天线的辐射性能,同时天线辐射出的电磁波亦可能危害人体健康,因此需要设计符合人体通信电磁安全要求且辐射性能良好的天线,从而实现体表无线通信。本文采用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)结构隔绝天线与人体之间的相互影响,研究了天线与AMC结构之间距离对天线辐射性能的影响,最终实现具有低剖面特性的柔性天线设计。主要研究内容有:1.研究了影响天线剖面高度的主要参数:AMC结构与天线之间距离。设计了工作在2.45GHz、3GHz、4GHz、5GHz、5.8GHz的天线和AMC结构,分析天线与AMC结构之间距离从1mm变化到λ/4时,天线的回波损耗系数(S11)和工作频点的变化。比较分析了较小距离下,保持良好阻抗匹配的不同频率天线的性能参数,归纳总结了天线和AMC结构之间的最优整数间距。选取中心频率为5.8GHz天线和AMC结构加工和实测,测试结果和仿真结果基本相符,验证了仿真的可行性。2.设计了一款工作在工业科学医疗频段(Industrial Science Medical,ISM)2.45GHz和5.8GHz双频柔性天线。该天线采用共面波导结构馈电,具有低剖面易制作的优点,辐射贴片采用枝节型结构,调节枝节长度可调整天线的工作频率。AMC单元结构采用正六边形作为基础图案,通过外层拓展的方式延长电流路径,增大等效电感,实现小尺寸设计,调节内部六边形半径可使其在高频处产生谐振。最后将天线和AMC结构组合安装,比较有无AMC结构时天线性能的变化,最后加工实物进行了实测。3.采用了介质基底代替传统的泡沫支撑,进一步实现低剖面天线的设计,设计了与天线基底等大的AMC结构实现整体封装的超薄天线,其中天线采用分形结构获得小尺寸,天线与AMC结构直接的间隙采用基底材料填充,实现整体剖面为4.14mm的超薄设计。AMC结构与天线基底等尺寸,实现了加载AMC结构天线的整体封装。将天线放置在人体表面的不同部位进行仿真,结果表明天线能工作在2.42GHz左右,并在该频率实现低电磁比吸收率(Specific Absorption Ratio,SAR),实现了天线在ISM频段人体体表的安全通信。最后加工制作了天线样本进行实际测试。
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