一種基于聚酰亞胺的超寬帶緊湊型柔性天線

鄭博仁，馮全源，鄭宗良

西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756

隨著超寬帶(UWB)通信技術被批準用于民用，UWB技術在無線通信中的地位得到了改善。由于其傳輸效率高、多徑分辨率強、隱蔽性好、功耗低和成本低等優點，受到了廣泛關注[1?5]。超寬帶天線可應用于航空航天、電子工業、雷達、監控、高速多媒體無線通信、控制和醫學等領域，具有重要的理論研究價值和應用前景。而具有柔性特性的超寬帶緊湊天線在設備的便攜式和易集成性，以及共形于其他設備等方面具有更大的優勢，但是大多數的超寬帶緊湊天線都不具備柔性的特性[6?8]。因此，研究柔性的超寬帶天線就變得尤為重要。然而可行的具有柔性特性的超寬帶天線設計面臨著設計尺寸過大、彎折程度過低、彎折后導致天線性能失真等問題[9?14]。

本文基于柔性聚酰亞胺材料，提出一種柔性的超寬帶天線，天線具有極低的剖面，厚度僅為0.1 mm，這讓天線更加靈活，可以方便地與一些器件共形。天線由一棵樹形金屬貼片和一個梯形開槽金屬貼片組成，尺寸為42 mm×39 mm×0.1 mm，結構緊湊，降低了天線成本。分別將天線彎折30°和60°來驗證天線的柔性特性，使得天線適合于在可穿戴設備和其他柔性設備中集成。

1 天線設計與仿真

在文獻[12]中，提出了一種制作在液晶聚合物上的柔性超寬帶天線，天線由矩形地板和矩形貼片組成。該天線具有簡單的結構，但是天線的制作成本較大并且彎折程度過低。聚酰亞胺具有制作成本低的優點，是制作柔性超寬帶天線的優良材料。文獻[13]采用圓形金屬貼片和矩形接地板共面于聚酰亞胺基板的方式制作了一種超寬帶天線，該天線能覆蓋2～20 GHz的帶寬，但是該設計尺寸過大，并且沒有對天線進行柔性驗證。在文獻[14]中，長條形液態金屬基板用于設計柔性超寬帶天線，由長條形金屬貼片與類似于V形的地板組成，雖然天線結構簡單易于制作，但是增加了天線的長度。本文基于聚酰亞胺基板，提出新型的緊湊超寬帶柔性天線。

1.1 天線結構設計

天線結構如圖1所示。天線尺寸為42 mm×39 mm×0.1 mm，制作在厚度為0.1 mm、介電常數為2.8、介電損耗角正切為0.02的柔性聚酰亞胺基板上。由矩形貼片、圓形貼片、三角形貼片和橢圓形貼片組成樹狀貼片，基板兩側引入2個矩形貼片，通過共面波導的方式對天線進行饋電。通過切割梯形地板和切割半圓形小孔來完成天線的阻抗匹配和達到更好的帶寬。使用仿真軟件Ansoft HFSS對天線進行仿真，并采用控制變量法對天線結構參數進行優化，綜合考慮天線帶寬和增益等因素，得到最優天線結構。天線的結構參數如表1所示。

圖1 天線結構示意

表1 天線結構參數 mm

1.2 天線設計過程

設計天線過程如圖2所示，首先設計2個矩形地板，采用經典的單極子天線模型，使用新穎的樹狀結構和共面波導饋電的方式得到初始的天線模型，初步仿真該模型可得該天線基本能夠覆蓋到2.45～12 GHz頻段，天線能夠覆蓋民用超寬帶頻段(3.1～10.6 GHz)，但是為了實現天線的柔性特性，還需要進行柔性特性的仿真。將天線1彎折30°進行仿真，得到天線的阻抗帶寬(S11＜?10 dB)，如圖3所示。從圖3可以看出，天線彎曲30°后并不能完全覆蓋超寬帶頻段，于是將天線的矩形貼片進行切割，得到圖2(b)天線2結構。

圖2 天線設計過程

圖3 天線1阻抗帶寬仿真

分別將天線2彎折30°、彎折60°進行仿真，得到了天線2的阻抗帶寬(S11＜?10 dB)圖，如圖4所示。由圖4可知，天線在水平狀態和彎折30°狀態下能夠覆蓋到超寬帶頻段，但是將天線彎折60°后，天線在低頻部分(3～5 GHz)就不能覆蓋到超寬帶頻段。

圖4 天線2阻抗帶寬仿真

1.3 天線結構優化

為了進一步使天線在彎折條件下滿足超寬帶帶寬的要求，在天線2的基礎上對天線進行開槽，并且進行參數的優化，結構如圖2(c)所示。采用控制變量的方法選擇一些重要的參數進行參數優化，圖5給出了天線3開槽圓半徑(R4)對天線阻抗帶寬的影響。顯然，R4對天線阻抗帶寬有極大的影響。由圖5可以看出，隨著R4的增大，天線的S11曲線在中頻段逐漸上升，在高頻段逐漸下降，綜合考慮參數對天線性能的影響，選取R4=1 mm。同時，圖6給出了切割長度(W4)對天線的影響，不難看出，隨著W4的逐漸增加，天線的S11曲線在高頻逐漸上升，而在低頻上當W4=3 mm時具有最佳的回撥損耗，因此，綜合選取天線切割長度W4=3 mm。經過參數的綜合優化分析，得到天線的尺寸參數如表1所示。

圖5 R4對天線的影響

圖6 W4對天線的影響

接下來將優化參數后的天線分別彎折30°和60°進行仿真，得到天線仿真圖如圖7所示，天線在彎折30°和60°時，雖然圖形有所變化和偏移，但是仍然能夠覆蓋2.45～12 GHz頻段，可以覆蓋民用超寬帶頻段(3.1～10.6 GHz)，驗證了天線的柔性特性。

圖7 天線S11仿真結果

2 天線測試與分析

通過制作實物和測試對天線性能進行評估。圖8給出了柔性天線的S11仿真與測試對比圖。由圖8(a)可以發現，天線在平整狀態下測試值的最低頻率點略高于仿真值。這可能是由于天線制造過程中的一些誤差或測量過程中的一些人體輻射干擾引起的。但測量和仿真有相似的S11曲線，都具有2.45～12 GHz的優良帶寬，完全可以覆蓋所需的頻段。由圖8(b)分析不難發現，將天線彎折30°后，天線的S11在高頻段略有增加，中心頻率略有右移，但仍能覆蓋UWB頻段。將天線彎曲60°，以進一步驗證天線的特性。從理論上講，天線的彎曲度越大，天線的性能就越容易失真。然而，由圖8(c)中可以看出，雖然所述天線的中心頻點在彎曲60°后略有偏移，但仍然具有良好的阻抗匹配，能夠完全覆蓋超寬帶頻段的帶寬。綜上所述，當柔性天線彎曲時，該天線的帶寬仍然保持不變，證明該天線具有較強的穩定性以及穩定的輻射特性。相較于文獻[12]和[14]，本設計具有更寬的阻抗帶寬，在尺寸相近的情況下具有更好的彎折特性。相較于文獻[13]中55 mm×40 mm×0.5 mm的天線尺寸，該天線結構更加緊湊，并且具有更低的剖面。

圖8 天線在不同狀態下的S11仿真與測試對比

同時，對天線的遠場測試數據進行了分析。通過仿真得到了天線在2.45～12 GHz的峰值增益，如圖9所示。天線在該范圍內的峰值增益為3.5～6 dBi，并且平均增益達到4 dBi以上。

圖9 天線的峰值增益仿真

圖10和圖11分別給出了天線在2.4、3.4、5、6 GHz下x-z平面和y-z平面上仿真以及測量的標準化方向圖。由圖10和11可知，在所考慮的頻帶中，天線在x-z平面和y-z平面上都表現出優異的輻射特性，x-z面的測試方向圖為偶極形輻射方向圖，y-z面的測試方向圖為近似全向的方向圖。在低頻部分，測試方向圖相較于仿真方向圖增益有所降低，略微發生形變，高頻部分的仿真方向圖與測試方向圖形狀基本一致，增益有所下降，這是因為制作誤差等因素導致的。通過觀察可以發現，超寬帶天線在彎曲和平坦時具有相似的輻射方向圖。

圖10 天線分別在彎折60°與水平狀態下在x-z面上的輻射方向

圖11 天線分別在彎折60°與水平狀態下在y-z面上的輻射方向

3 結論

本文介紹了一種具有柔性特性的緊湊超寬帶天線。

1)該天線采用具有低介電損耗的柔性聚酰亞胺基板，通過天線在水平與彎曲狀態下的仿真和測試，驗證了天線的寬帶特性和良好的柔性特性，天線柔性帶寬為2.45～12 GHz，比文獻[12]和[14]具有更加優良的柔性性能和更寬的阻抗帶寬。

2)基于聚酰亞胺的緊湊型柔性天線具有靈活性、堅固性和緊湊性的優點，相較于文獻[13]，相對尺寸減少了13 mm×1 mm×0.5 mm，同時具有制造簡便性和良好的輻射特性，是目標用戶的合理選擇。