一種緊湊型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于天線領域，具體設計涉及一種緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天 線。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信技術的飛速發展以及可穿戴消費電子的興起，以人體為中心的無線 通訊系統已經成為當今的研究熱點之一。人體無線通訊系統第四代移動通信的重要組成部 分，在醫療康復、健康監測、體育運動以及消防安全等領域發揮著重要的作用。自赫茲和馬 可尼發明天線以來，天線在人類的社會生活中扮演者重要的角色。天線是發射和接收電磁 波的一個重要的無線電設備，是無線通信系統中的重要環節，天線的性能將直接影響到通 信系統的品質。為滿足個人通信技術對天線特性的要求，研究一種具備柔性、可穿戴特點的 天線顯得尤為重要。
[0003] 所謂可穿戴天線，首先要求天線具備柔性特點，能夠很好地穿戴于人體或與其他 可穿戴設備共形，通過將天線附著于衣物、穿戴設備上，實現無線通信。可穿戴天線最早可 追溯到用于軍隊戰術通信的鞭狀天線，這種天線基于尺寸原因，很容易暴露目標，較為理想 的可穿戴天線應具備質輕便攜、穩定可靠、易于共形等特點。對于柔性可穿戴天線研究更為 傾向于低輪廓的印刷天線，尤其是貼片天線和縫隙天線，這兩種平面結構的天線因具備質 量輕、剖面低、體積小等優勢在可穿戴天線研究中備受關注。
[0004] 目前，國內對于天線的研究絕大多數處于以FR4(玻璃纖維環氧樹脂板）、RT5880/ RT6002和F4BM微波介質板為基材，這類天線通常不可彎曲，可穿戴性差。國內對于柔性 可穿戴天線的研究較少，電子科技大學的徐凌提出了一種基于導電織物可穿戴天線，該天 線工作于2. 45GHz，具備輕便、易攜帶、隱蔽性好等特點。西安電子科技大學的趙程光利用 柔性銅箱設計了一種可穿戴偶極子天線，卻存在不易穿戴、共形性差等弊端，有待進一步完 善。程春霞等人介紹了一種能與服裝完全共形的柔性微帶線，天線材質選用常規的毛毯和 銅箱，并對天線在平放和彎曲條件下進行性能測試。
[0005] 總結國外對于柔性可穿戴天線的研究具備如下特點，其柔性基體通常采用聚酰亞 胺（polyimide, PI)、高分子聚合物（polydimenthysiloxane, PDMS)、聚對苯二甲酸乙二醇 酯（polyethylene glycol terephthalate, PET)、絲織物（Textle)等幾類，導電材質主要為 金屬導電液、銀納米線（AgNW)、碳納米管（CNTs)以及金屬納米顆粒等。美國北卡羅來納州 大學的Ju Hee So等人以PDMS為柔性介質，將液態金屬注入預留管道以制備柔性偶極子天 線，該天線具有機械彎曲與可重構特點。對于填充液態金屬類柔性天線，通常存在柔性介質 破損時會導致液態金屬泄露等弊端。Song Lingnan等人介紹了一種AgNW/PDMS可拉伸特點 的柔性矩形微帶天線，銀納米線成為研究新型可穿戴或透明天線的首選，卻因價格昂貴不 易大規模推廣。銅或鋁等金屬納米粒子價格較銀納米線低廉卻存在易于氧化的缺點。
[0006] 近期，曼徹斯特大學的研究人員提出了利用石墨烯在衣服上打印出天線的方法， 與傳統用金屬制造天線的方法相比，該方法更加便宜、靈活，同時導電性能提升了近50倍。 佐治亞理工學院的研究員稱，新型石墨烯天線不像銅或其他材料，石墨烯使用較少的能源 就能運作，由于石墨烯的蜂窩結構，其表面產生電子表面波的范圍也最廣，其通信距離亦將 得到進一步提升。Huang Xianjun等人提出了一種石墨稀偶極子天線，并通過仿真和測試對 其性能進行驗證。由此可見，石墨烯作為新一代功能材料，具有高導電性、質量輕、結構堅硬 以及透明性等優勢，成為研究柔性可穿戴的天線焦點。
【發明內容】
[0007] 本發明提出了一種中心頻率為2. 45GHz、結構緊湊的柔性可穿戴天線結構，利用石 墨烯制備高導電輻射貼片，以PDMS為柔性基體，旨在解決現有非柔性天線不易共形、可穿 戴性差等問題。
[0008] 本發明為解決技術問題采用如下技術方案：
[0009] 本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線，其特點在于：是在一矩形柔性基 體的下表面設置有矩形接地平面，上表面設置有輻射貼片；所述輻射貼片和所述接地平面 均以石墨稀為材質。
[0010] 本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線，其特點在于：
[0011] 所述輻射貼片呈"T"形，且"T"形的" Γ部分底邊與所述接地平面的一長邊及所 述柔性基體的一長邊相對齊；
[0012] 在所述"T"形的"一"部分的底邊上、位于" I "部分的兩側對稱開設有兩" I "形 縫隙；在所述"T"形的"一"部分上開設有開口朝向"一"部分底邊的"E"形縫隙；兩" I " 形縫隙和"E"形縫隙呈叉指結構。
[0013] 為了良好地滿足工程性能需求，本發明的緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線 的尺寸設置為：
[0014] 所述柔性基體長40mm、寬35mm、厚度2mm ;所述接地平面長40mm、寬10. 5mm ;"T"形 福射貼片的"一"部分長25mm、寬17. 6mm，" I "部分長12mm，寬8. 8mm ;
[0015] 所述"E"形縫隙的底邊長22mm、寬1mm，三個伸出端的長為6. 5mm、寬1mm，三個伸 出端的頂部與"T"形的"一"部分的底邊的距離為2mm ;兩" Γ形縫隙長6. 5mm、寬1mm，兩 " Γ形縫隙相鄰邊的間距為10. 8mm〇
[0016] 所述緊湊型輻射貼片中的縫隙寬度均為lmm，"E"形縫隙中心線與"T"形輻射貼片 "I "部分中心線共線。
[0017] 與已有技術相比，本發明有益效果體現在：
[0018] 1、與傳統非柔性基材天線相比，本發明的緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線 采用PDMS為柔性基體，采用石墨烯制備高導電性柔性薄膜用作輻射貼片和接地平面，具有 結構緊湊、質輕便攜、易于共形以及可穿戴優點。
[0019] 2、本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線分別采用3D打印技術和絲網印 刷技術制備PDMS柔性基體和石墨烯導電薄膜，并層層組裝成石墨烯天線，整個過工藝程流 程簡單，操作方便。
[0020] 3、本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線在實現傳統非柔性天線的功能 基礎上，在發生一定彎曲或扭轉時仍可滿足工程要求，且柔軟度與可穿戴性遠優于傳統銅 質天線，可靈活安裝在設備內外以及彎曲部位。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線結構圖；
[0022] 圖2是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線尺寸參數圖；
[0023] 圖3是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線剖面結構圖；
[0024] 圖4是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線沿X和Y軸彎曲示意圖；
[0025] 圖5是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線平放與沿X和Y軸彎曲時Sn 仿真結果；
[0026] 圖6是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線駐波比仿真結果圖；
[0027] 圖7是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線在平放和彎曲狀態時XZ平 面（E_Plane)增益方向圖；
[0028] 圖8是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線在平放和彎曲狀態時XY平 面（H_Plane)增益方向圖；
[0029] 圖9是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線PDMS柔性基體模型；
[0030] 圖10是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線矩形饋電面位置示意圖；
[0031] 圖11是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線實際測量與仿真結果對比 圖；
[0032] 圖12是本發明緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線的Smith圖。
[0033] 圖中標號：1輻射貼片；2柔性基體；3接地平面；4彎曲基材；5柔性基體模具；6矩 形饋電面。
【具體實施方式】
[0034] 如圖1所示，本實施例緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線結構為：在一矩形柔 性基體2的下表面設置有矩形接地平面3,上表面設置有輻射貼片1 ;
[0035] 輻射貼片1呈"T"形，且"T"形的" I "部分底邊與接地平面3的一長邊及柔性基 體2的一長邊相對齊；在"T"形的"一"部分的底邊上、位于" I "部分的兩側對稱開設有兩 " Γ形縫隙；在"T"形的"一"部分上開設有開口朝向"一"部分底邊的"E"形縫隙；兩" Γ 形縫隙和"E"形縫隙呈叉指結構。
[0036] 輻射貼片1和接地平面3均以石墨烯為材質，柔性基體以PDMS為材質。
[0037] 本實施例的緊湊型2. 45GHz柔性可穿戴石墨烯天線具有結構緊湊、質輕便攜、易 于共形等優勢，為適應可穿戴設備對天線性能的需求提供了一種可行性設計方案，為驗證 其工作性能，做實例如下：
[0038] 首先，提出天性性能參數需求如下：中心頻率為2. 45GHz，駐波比VSWR〈1. 5,回波 損耗Sn〈-10dB，具備柔性且一定彎