紡織開槽微帶天線的優化設計及性能

閆江山，姚 瀾，王 妮

(東華大學 紡織學院，上海201620)

近年來，隨著智能可穿戴技術的發展，可穿戴設備在醫療、軍事、休閑娛樂等領域得到了廣泛應用，天線作為可穿戴設備中用來傳輸信號的重要部件，對于信號的傳播質量起到決定性作用[1-3]。紡織微帶天線，將微帶天線本身低剖面、體積小、重量輕、制造工藝簡單的優點，與紡織品柔性可彎折、與佩戴者身體可共形的優點結合在一起，在可穿戴設備中具有廣闊的應用空間[4-5]。在紡織微帶天線的研究中，研究者在兼顧穿戴者舒適性要求和天線性能的同時，將研究重點放在如何縮小天線體積方面。

微帶天線的小型化技術包括增加基板的介電常數、短路加載[6]、附加有源網絡、采用電磁帶隙結構[7]、采用左手材料[8]、表面開槽[9-11]等。其中，表面開槽是實現天線小型化、增加天線帶寬的最簡單且有效的方法之一。在微帶天線輻射元貼片表面開槽，貼片表面的電流路徑將發生彎曲，使得電流有效路徑變長，天線的諧振頻率降低，從而實現天線的小型化。基于表面開槽的紡織微帶天線，文獻[12]提出一種用于乳腺癌檢測的紡織可穿戴天線，該天線以牛仔布為介質基板，總尺寸(長×寬×厚)為80 mm×80 mm×1 mm，在2.4 GHz頻率處的回波損耗小于-35 dB，輻射方向圖具有全向性。文獻[13]提出一種加載人工磁導體和雙C形槽的雙頻紡織開槽微帶天線，通過在天線地板下方加載人工磁導體，從而減小天線的反向輻射并提高增益，該天線采用毛氈作為介質基板，在2.45 GHz頻率處帶寬為123 MHz，增益為5.26 dB，在5.8 GHz處帶寬為714 MHz，增益為10.27 dB，總尺寸(長×寬×厚)為90 mm×90 mm×6 mm。文獻[14]提出一種用于WLAN和C波段的U形紡織可穿戴微帶天線，該天線采用牛仔布作為介質基板，通過使用U形貼片和缺陷地板結構，在6.9 GHz處相對帶寬達到60.86%，帶寬內的最大增益為5.19 dB，總尺寸(長×寬×厚)為42 mm×43.5 mm×1 mm。綜上所述，人工磁導體的存在雖然有利于增加天線的增益，但會增大天線的整體厚度，缺陷地板可增大天線的后向輻射，但不利于可穿戴。因此有必要開發一種小型紡織微帶天線，使得天線尺寸減小、帶寬增大的同時，不會增大天線的背向輻射。

本文將圍繞紡織微帶天線小型化展開研究，通過采用加載矩形槽和雙T形槽結構，改變天線輻射元表面的電流路徑，降低天線的諧振頻率，以獲得性能優異且尺寸較小的天線。在天線的實現過程中，采用絲網印刷技術對天線進行制作，并對天線的電磁輻射性能進行測試和分析。

1 紡織微帶天線結構的設計及優化

1.1 傳統紡織微帶天線的結構設計

傳統紡織微帶天線的結構示意圖如圖1所示，天線的底部為地板，中間層是材料為滌綸氈的介質基板，頂端為天線輻射元，通過50 Ω同軸線饋電。根據擬設計的天線諧振頻率(2.45 GHz)和介質基板的電磁參數(介電損耗為0.02，介電常數為1.25)，計算得到傳統紡織微帶天線結構參數的初始值。利用高頻結構仿真軟件(high frequency structure simulator)，以在2.45 GHz頻率處的回波損耗是否小于-10 dB為標準，對傳統紡織微帶天線的尺寸參數進行優化，得到最優的天線結構參數為基板寬度Wg=80 mm，基板長度Lg=80 mm，輻射元寬度Wp=49 mm，輻射元長度Lp=50 mm，饋電點與中心位置的距離L1=10 mm，基板厚度h=3 mm。

圖1 傳統紡織微帶天線結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional textile microstrip antenna structure

1.2 紡織開槽微帶天線的結構設計

基于上述的傳統紡織微帶天線結構，在天線輻射元表面開槽，設計了紡織開槽微帶天線，如圖2所示。

圖2 紡織開槽微帶天線結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of textile slotted microstrip antenna structure

1.2.1 開槽結構優化

一般在天線輻射元表面開槽，可以改變其表面電流路徑并降低天線的諧振頻率，同時引入新的阻抗匹配并增加天線帶寬。本文設計了3種開槽天線，分別為加載單一T形槽(天線1)、加載單一T形槽和矩形槽(天線2)以及加載雙T形槽和矩形槽(天線3)，其結構如圖3所示。

圖3 3種不同開槽的天線結構Fig.3 Three kinds of different slotted antenna structures

3種不同開槽結構天線的回波損耗圖如圖4所示。

圖4 3種開槽天線的回波損耗圖Fig.4 Return losses of three kinds of slotted antennas

由圖4可知：當在天線輻射元上加載單一T形槽時(天線1)，天線在2.41和3.50 GHz處產生諧振點；當在天線1的基礎上加載矩形槽時(天線2)，天線在2.41、2.57和3.50 GHz處產生諧振點；當在天線2的基礎上加載T形槽時(天線3)，天線在2.42、2.54和3.53 GHz處產生諧振點。天線2的2.41和2.57 GHz兩個諧振點部分重疊，使得天線在2.45 GHz附近的帶寬得以增加，但是在2.38～2.58 GHz頻段內，部分頻點的回波損耗大于-10 dB，未達到標準；天線3在2.38～2.61 GHz頻段的回波損耗均小于-10 dB，滿足設計要求。

1.2.2 輻射元尺寸及饋電點優化

為確定開槽微帶天線最佳尺寸及饋電點，對開槽微帶天線的L14、Wp和Lp參數進行仿真優化。輻射元尺寸和饋電點位置對回波損耗的影響圖如圖5所示。由圖5可知：當饋電點位置與中心點位置之間的距離(L14)從12 mm增加到16 mm時，天線回波損耗在2.45 GHz附近呈現先減小再增加趨勢；Wp和Lp對天線性能的影響規律相同，隨著Wp和Lp的增大，天線的諧振頻率減小，天線的回波損耗在2.45 GHz附近呈現先減小再增大趨勢。

(a) L14

(b) Wp

(c) Lp

通過對紡織微帶天線的開槽結構、輻射元尺寸和饋電點的參數進行優化，得到加載矩形槽和雙T形槽的紡織開槽微帶天線的最優結構參數如表1所示。

從表1可以看出，紡織開槽微帶天線的輻射元尺寸(Wp×Lp)為43 mm×43 mm，與傳統紡織微帶天線的輻射元尺寸(Wp×Lp=49 mm×50 mm)相比，紡織開槽微帶天線的輻射元尺寸減小24.5%。

表1 紡織開槽微帶天線的結構參數

2 紡織微帶天線的制備

2.1 原料

天線介質基板為滌綸氈，厚度為3 mm，購自邢臺南宮市展程毛氈廠；用于制備天線輻射元的納米級導電銀漿，型號為ET-4F，印刷在本文所選滌綸氈上后電導率為5.5×106S/m，購自廣州市尤特新材料有限公司；用于同軸饋電的SMA接頭，購自深圳市恒盛電子；用于黏接SMA接頭與天線的掃描電子顯微鏡(SEM)用雙面碳導電膠帶，購自浙江立晶。

2.2 紡織開槽微帶天線的制備

根據優化設計結果，采用絲網印刷的方法將導電銀漿印刷在滌綸氈上，并在烘箱中烘干30 min，得到天線輻射元。將滌綸氈按照設計的尺寸進行裁剪，在滌綸氈的另一側覆上銅箔作為天線地板。最后將SMA接頭與天線地板結合進行饋電，完成天線的制作。圖6為紡織開槽微帶天線的實物圖。

注：(a) 天線整體圖；(b) 側視圖；(c) 天線輻射元圖。

2.3 導電銀漿微觀形貌表征

采用Nikon LV100 pol型專業偏光顯微鏡觀測銀漿在滌綸氈上的印刷狀態，如圖7所示。從圖7可以看出，導電銀漿已布滿滌綸氈表面，并填充入滌綸氈表面纖維間的空隙，形成連續的導電層，如此可以確保天線輻射元具有較好的導電性。

圖7 滌綸氈表面導電銀漿形貌圖Fig.7 Morphology of conductive silver paste on the surface of polyester felt

采用掃描電子顯微鏡對輻射元與滌綸氈的黏接情況進行觀察，如圖8所示。從圖8可以看出，導電銀漿通過絲網印刷在滌綸氈表面形成天線的輻射元，兩者黏接性能較好。

圖8 輻射元與滌綸氈黏接SEM圖Fig.8 SEM image of the bonding between radiation element and polyester felt

3 測試及結果

3.1 回波損耗

天線的回波損耗由Keysight E5071C型網絡分析儀測得。普通天線通常要求回波損耗小于-10 dB。傳統紡織微帶天線和紡織開槽微帶天線的回波損耗圖如圖9所示。

圖9 傳統紡織微帶天線和紡織開槽微帶天線的回波損耗圖Fig.9 Return losses of conventional and textile slotted microstrip antennas

由圖9可知：傳統紡織微帶天線在2.42～2.49 GHz頻段內擁有良好的回波損耗(S11<-10 dB)，相對帶寬為2.9%；而紡織開槽微帶天線在2.39～2.65 GHz頻段內具有良好的回波損耗(S11<-10 dB)，相對帶寬為10.6%。由此可見，相比傳統紡織微帶天線，紡織開槽微帶天線的相對帶寬提高了7.7%。這是由于紡織開槽微帶天線在輻射元表面加載了矩形槽和雙T形槽，使得輻射元表面的電流路徑增加，同時引入了新的阻抗匹配，增大了天線的帶寬。

3.2 天線輻射方向圖

天線的輻射方向圖是天線輻射強度關于空間位置的關系圖，從輻射方向圖中可以看出天線的最大增益方向及其相應的增益。為排除其他電磁波的干擾，并提高天線測試結果的準確度，在微波暗室中對傳統紡織微帶天線和紡織開槽微帶天線的輻射方向進行測試，并由PNA-X型測量接收機讀取天線輻射方向圖。

傳統紡織微帶天線和紡織開槽微帶天線的輻射方向圖如圖10所示。由圖10可知，傳統紡織微帶天線和紡織開槽微帶天線均在諧振頻率為2.45 GHz、天線在0°方向時取得最大增益，分別為7.23和4.02 dB，并且兩種天線的輻射方向圖相似。由此可見，開槽結構未對傳統紡織微帶天線的輻射方向圖造成明顯影響。

(a) 傳統紡織微帶天線 (b) 紡織開槽微帶天線

4 結 語

本文提出一種應用于藍牙頻段的加載有矩形槽與雙T形槽的紡織開槽微帶天線，利用絲網印刷技術，將導電銀漿印刷在滌綸氈上制作天線輻射元。微觀形貌觀察結果表明，導電銀漿在滌綸氈表面印刷完整且連續。天線回波損耗測試結果及輻射方向圖表明，紡織開槽微帶天線在2.39～2.65 GHz實現回波損耗小于-10 dB(相對帶寬為10.6%)，最大增益為4.02 dB。與傳統紡織微帶天線相比，紡織開槽微帶天線的相對帶寬提高7.7%，輻射元尺寸減小24.5%。本研究結果可為紡織可穿戴天線的小型化及制備提供思路。