一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线及其制备方法与流程

1.本发明涉及可穿戴通信领域的天线技术领域，尤其涉及一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线及其制备方法。


背景技术：

2.可穿戴通信技术是近年来快速发展的技术之一,可穿戴技术与物联网(iot)技术、智能平台以及医疗健康领域紧密相连，可被应用于运动监测、健康管理以及室内定位等领域。天线作为通信系统收发信号的关键设备之一，其性能对于通信系统而言至关重要。特别是在可穿戴技术领域，天线除了要具备良好的辐射转换效率，还应该具备良好的共形特性，紧凑的尺寸和穿戴舒适性。而传统的金属材料天线，包括铜、金等，容易被空气氧化，并且在潮湿环境容易被腐蚀，这会带来天线性能的下降；同时金属材料天线不太容易做到良好的共形，这些导致传统天线在可穿戴技术领域的应用受限。
3.石墨作为一种新型材料一直受到研究人员的关注，石墨具备良好的导电性能、导热性能、物理化学稳定性、良好的延展性，以及相比于金属的环保性，成为可穿戴通信技术的一种可行应用材料。石墨天线也将成为可穿戴通信技术领域的一个重要组成。


技术实现要素：

4.本发明针对可穿戴通信技术领域对于天线共形、电磁性能以及物理化学稳定性的需求，提出一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线及其制备方法，设计出一型具有结构简单、宽频段、辐射全向、低剖面的石墨可穿戴天线；基于设计参数，制备出该可穿戴天线，并测试相关场景下的电磁性能，满足指标要求。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，包括石墨辐射结构和编织物衬底结构；所述石墨辐射结构与编织物衬底结构粘连；所述石墨辐射结构采用共面波导形式，包括依次布置的第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地；所述第一矩形形状信号地和第二矩形形状信号地关于长矩形到等边三角形组合过渡结构对称；所述长矩形到等边三角形组合过渡结构支持共面波导馈电形式，用于通过天线高频信号。
6.进一步地，所述石墨辐射结构中石墨的电导率在2
×
106s/m量级，石墨的厚度为25um。
7.进一步地，所述长矩形到等边三角形组合过渡结构具体为长矩形和等边三角形组合相连；所述等边三角形组合与长矩形的宽边相连；所述等边三角形组合包括一级等边三角形和2个二级等边三角形；所述一级等边三角形的底边与2个二级等边三角形相连；其中，一级等边三角形的内部减去边长为w7的等边三角形，同时在一级等边三角形的2个底边角减去2个边长为w5等边三角形。
8.进一步地，所述第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地沿同一平面布置；通过调整其尺寸，实现50ω特性阻抗，具备全向辐射特
性，天线工作在ism频段；
9.所述调整尺寸的方法具体为：保持第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地尺寸不变，调整第一矩形形状信号地与长矩形到等边三角形组合过渡结构的间距d1，该距离也是第二矩形形状信号地与长矩形到等边三角形组合过渡结构的间距，计算得到天线特性阻抗，实现50ω特性阻抗，具备全向辐射特性，工作在ism频段。
10.进一步地，所述第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地沿不规则曲面布置；所述可穿戴天线的弯曲曲率半径和其贴合的人体表面曲率半径一致。
11.进一步地，所述可穿戴天线的工作在ism频段，并且具有600mhz以上的工作带宽。
12.进一步地，所述编织物衬底结构的厚度为0.25mm。
13.进一步地，所述天线通过sma接口与测试设备连接。
14.本发明提出了一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线的制备方法，包括以下步骤：
15.步骤一：将石墨辐射结构的二维尺寸按照1:1比例打印到纸上；
16.步骤二：将石墨膜贴合在一层聚酰亚胺膜上，再将其整体与步骤一打印得到的纸进行胶粘，胶粘面为纸与聚酰亚胺膜接触面；
17.步骤三：沿着石墨辐射结构轮廓，将步骤二胶粘得到的整体结构划切下来，移除纸、聚酰亚胺膜，得到石墨辐射结构；
18.步骤四：将步骤三得到的石墨辐射结构粘连至编织物衬底，得到基于石墨的宽频带全向可穿戴天线。
19.进一步地，所述步骤四中粘连后使编织物衬底边缘与石墨辐射结构的共面波导馈电口齐平。
20.本发明的有益效果为：
21.(1)本发明设计的基于石墨的可穿戴天线具有宽频带、辐射全向、低剖面、物理化学稳定性特点。本发明通过改变可穿戴天线的形变曲率半径(rc)，使之与人体表面贴合共形，具有易共形的特点。
22.(2)本发明制备方法简单便捷，可满足可穿戴通信技术领域的应用需求。
附图说明
23.图1是基于石墨的平面可穿戴带天线结构图；
24.图2是基于石墨的平面可穿戴带天线带宽仿真结果；
25.图3是基于石墨的平面可穿戴带天线辐射性能仿真结果；图3中的(a)为e面的辐射性能仿真结果；图3中的(b)为h面的辐射性能仿真结果；
26.图4是基于石墨的曲面可穿戴带天线结构图；
27.图5是基于石墨的曲面可穿戴带天线带宽仿真结果；
28.图6是基于石墨的曲面可穿戴带天线辐射性能仿真结果；图6中的(a)为e面的辐射性能仿真结果；图6中的(b)为h面的辐射性能仿真结果；
29.图7是制备出来的基于石墨的可穿戴带天线实物；
30.图8是制备出来的基于石墨的可穿戴带天线典型场景带宽测试结果；图8中的(a)为天线在空气中的测试结果；图8中的(b)为天线在手臂上的测试结果；图8中的(c)为天线在胸膛上的测试结果；图8中的(d)为天线在大腿上的测试结果。
具体实施方式
31.为了更好地理解本发明的技术特征、目的和效果，下面针对ism波段可穿戴天线，结合附图1～图8对本发明进行更为详细地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，这些附图中的结构图形均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明的效果。
32.本发明首先设计并优化了基于石墨的平面可穿戴天线，获得天线基本设计参数；然后考虑可穿戴天线的共形形变效应，设计曲面共形的可穿戴天线，并获得天线电磁性能仿真参数，判断天线满足设计要求；在此基础上，开展了基于石墨的可穿戴天线制备，开展典型场景测试分析。
33.本发明提出了一种采用共面波导结构的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，如图1所示，包括石墨辐射结构和编织物衬底结构；所述石墨辐射结构与编织物衬底结构粘连。图1的黑色部分是石墨辐射结构，图1的白色部分是编织物衬底。
34.所述石墨辐射结构包含3个部分，分别是2个矩形形状信号地、1个长矩形到等边三角形组合过渡结构，该结构走天线高频信号。描述石墨辐射结构的参数有l1,l2,d1,d2,d3,w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,θ1，其中描述所述矩形形状信号地的参数是l1,w1，代表矩形形状信号地的长和宽；描述所述长矩形到等边三角形组合过渡结构的参数包括l1,l2,d2,d3,w2,w3,w4,w5,w6,w7,θ1，反应该结构中长矩形的长宽尺寸，以及等边三角形组合尺寸信息。其中，l1为矩形形状信号地的长，w1为矩形形状信号地的宽。l2为矩形形状信号地的长与长矩形到等边三角形组合过渡结构的长矩形长度的差值。w2为长矩形到等边三角形组合过渡结构的长矩形宽度。d1为矩形信号地与长矩形到等边三角形组合过渡结构的间距。d2为一级等边三角形内部减去等边三角形后底边的间距；d3为2个二级等边三角形形成的间距。w3为一级等边三角形底边角减去等边三角形后的边长；w4为二级等边三角形的边长；w5为一级等边三角形底边角减去的等边三角形的边长；w6为二级等边三角形的边长；w7为一级等边三角形内部减去的等边三角形的边长；θ1为一级等边三角形与矩形形状信号地形成的夹角。
35.所述石墨辐射结构是天线的主要辐射结构。其中，石墨的电导率在2
×
106s/m量级，石墨的厚度在25um左右。所述石墨辐射结构采用共面波导形式，包括依次布置的第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地。所述第一矩形形状信号地和第二矩形形状信号地关于长矩形到等边三角形组合过渡结构对称，且形状相同。所述长矩形到等边三角形组合过渡结构支持共面波导馈电形式，用于通过天线高频信号。
36.所述长矩形到等边三角形组合过渡结构具体为长矩形和等边三角形组合相连；所述等边三角形组合与长矩形的宽边相连；所述等边三角形组合包括一级等边三角形和2个二级等边三角形；所述一级等边三角形的底边与2个二级等边三角形相连。其中，一级等边三角形的内部减去边长为w7的等边三角形，同时在一级等边三角形的2个底边角减去2个边
长为w5等边三角形。
37.所述石墨辐射结构通过调整其共面波导结构实现50ω特性阻抗，调整匹配的方法是保持第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地尺寸不变，调整第一矩形形状信号地与长矩形到等边三角形组合过渡结构的间距d1，该距离也是第二矩形形状信号地与长矩形到等边三角形组合过渡结构的间距，通过仿真方法即可计算出天线特性阻抗，达到设计要求。所述长矩形到等边三角形组合过渡结构通过调整其尺寸具备全向辐射特性，天线工作在ism频段。
38.所述编织物衬底结构为石墨辐射结构提供支撑，选用常见的纺织物(涤纶、棉布等)。石墨辐射结构粘接在编织物衬底上。该编织物衬底结构柔软可弯折，易于与人体表面贴合共形。编织物衬底结构的厚度为0.25mm，最终的石墨辐射结构与编织物衬底构成的可穿戴天线厚度小，剖面低，能与人体表面不同结构共形。
39.参见图2，以上所述可变调节参数，通过仿真分析并优化，最终获得满足设计要求的可穿戴天线参数。优化后的基于石墨的可穿戴天线工作在2.4ghz，频带为1.6ghz～3.6ghz，满足在ism频段工作的需求，并且具有600mhz以上的工作带宽。参见图3基于石墨的平面可穿戴带天线辐射性能仿真结果，图3中的(b)为h面天线方向图的辐射性能仿真结果，因此基于石墨的平面可穿戴天线辐射性能满足全向特性。
40.进一步地，所述可穿戴天线在实际应用过程中需要发生贴合共形，导致可穿戴天线从平面结构变成不规则曲面结构，需要建立新的参数来控制和描述可穿戴天线的形变。由于石墨材料具有可弯折特性，因此石墨可穿戴天线可以直接弯折实现与人体表面贴合。主要控制参数为可穿戴天线的形变曲率半径(rc)。重新调整可穿戴天线的参数l1,l2,d1,d2,d3,w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,θ1,rc，使之与人体表面贴合共形，所述可穿戴天线的弯曲曲率半径和其贴合的人体表面曲率半径一致，并满足可穿戴天线的电磁性能要求。
41.参见图4，基于石墨的曲面可穿戴天线弯曲方向为图中从左到右，该曲面可穿戴天线舒展为平面是的尺寸与图1一致。
42.参见图5，基于石墨的曲面可穿戴天线工作在2.4ghz，频带为1.4ghz～3.5ghz，满足在ism频段工作的需求。图6是基于石墨的曲面可穿戴带天线辐射性能仿真结果，参见图6(b)的h面天线方向图，因此基于石墨的曲面可穿戴天线辐射性能满足全向特性。
43.本发明提出了一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线的制备方法，具体来讲，包含以下步骤：
44.步骤一：对于设计和优化后的可穿戴天线中的石墨辐射结构部分，将其二维尺寸按照1:1比例打印到a4纸上；
45.步骤二：将一整张石墨膜贴合在一层聚酰亚胺膜上，再将其整体与步骤一的a4纸进行胶粘，胶粘面为a4纸与聚酰亚胺膜接触面，使得石墨膜、聚酰亚胺膜、a4纸成为一个整体，并且打印有石墨辐射结构的a4纸面外露；
46.步骤三：沿着a4纸上的石墨辐射结构轮廓，将步骤二胶粘获得的整体结构划切下来，并依次移除a4纸片、聚酰亚胺膜，最终得到石墨辐射结构；包括依次在同一平面布置的第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地；
47.步骤四：将步骤三得到的石墨辐射结构粘连至编织物衬底，保持编织物衬底边缘与石墨辐射结构的共面波导馈电口齐平，最终得到基于石墨的宽频带全向可穿戴天线。
48.参见图7，基于石墨的可穿戴天线包含两个部分，图中灰黑色部分为石墨辐射结构，白色部分为编织物衬底，两者粘连贴合形成一个可穿戴天线整体。基于石墨的可穿戴天线可以与人体表面进行贴合共形，具备舒适性，而且保持物理化学特性的稳定性。
49.进一步地，为了测试步骤四制备的石墨可穿戴天线性能，需要在石墨辐射结构的共面波导馈电口安置sma转接口。本发明采用机械应力连接的方式，将sma转接口的信号线连接至石墨辐射结构的长矩形到等边三角形组合过渡结构，将sma转接口的地线分别连接至石墨辐射结构的信号地。
50.参见图7的金属色部分，即为与可穿戴天线机械连接的sma转接口。该sma转接口可与通用测试线缆连接至测试仪器设备，完成可穿戴天线的性能测试。
51.进一步地，基于石墨的可穿戴天线的电磁带宽测试，是将天线sma转接口连接到测试线缆，测试线缆再连接至矢量网络分析仪。在正式测量前，需要通过矢量网络分析仪内置校准程序将测试线缆的影响给校准剔除，然后开展可穿戴天线的带宽测试。测试的场景包括将可穿戴天线置于空气中、手臂上、胸腔上，以及大腿上。
52.参见图8，基于石墨的可穿戴天线在空气中的工作频率为2.4ghz，工作带宽2.1ghz～2.7ghz，满足在ism频段工作的需求；在手臂上的工作频率为2.25ghz，工作带宽1.7ghz～3.07ghz，满足在ism频段工作的需求；在胸膛上的工作频率为2.45ghz，工作带宽1.6ghz～3.1ghz，满足在ism频段工作的需求；在胸膛上的工作频率为2ghz，工作带宽1.3ghz～5ghz，满足在ism频段工作的需求。
53.进一步地，基于石墨的可穿戴天线的辐射特性测试，是将天线sma转接口连接到测试线缆，测试线缆再连接至频谱分析仪，测试ism频段下可穿戴天线的接收信号功率。同时，在一样测试条件下，将测试线缆连接工作在2.4ghz的标准胶棒天线，测试ism频段下标准胶棒天线的接收信号功率，将两个天线接收的信号比对，判断可穿戴天线的辐射性能。实际测试结果为：在空气中，基于石墨的可穿戴天线接收到的功率比标准胶棒天线的接收功率高1db，反映出基于石墨的可穿戴天线较好的天线辐射性能。
54.本发明所述基于石墨的宽频带全向可穿戴天线设计制备方法，首先设计并优化了基于石墨的平面可穿戴天线，获得天线基本设计参数；然后考虑可穿戴天线的共形形变效应，设计曲面共形的可穿戴天线，并获得天线电磁性能仿真参数，判断天线满足设计要求；在此基础上，开展了基于石墨的可穿戴天线制备，以及相应测试接口连接，并开展典型场景测试与分析。本发明设计的基于石墨的可穿戴天线具有宽频带、辐射全向、低剖面、易共形等特点，电磁性能稳定，制备方法简单便捷，可满足可穿戴通信技术领域的应用需求。
55.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本发明中采用的可穿戴天线中石墨辐射部分的结构尺寸、电磁参数、石墨厚度、编织物衬底种类与厚度等等不仅仅局限于实施例中的具体描述。本发明所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线设计制备方法不仅仅局限于共面波导结构，对于其他形式的平面天线也适用。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，包括石墨辐射结构和编织物衬底结构；所述石墨辐射结构与编织物衬底结构粘连；所述石墨辐射结构采用共面波导形式，包括依次布置的第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地；所述第一矩形形状信号地和第二矩形形状信号地关于长矩形到等边三角形组合过渡结构对称；所述长矩形到等边三角形组合过渡结构支持共面波导馈电形式，用于通过天线高频信号。2.根据权利要求1所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，所述石墨辐射结构中石墨的电导率在2
×
106s/m量级，石墨的厚度为25um。3.根据权利要求1所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，所述长矩形到等边三角形组合过渡结构具体为长矩形和等边三角形组合相连；所述等边三角形组合与长矩形的宽边相连；所述等边三角形组合包括一级等边三角形和2个二级等边三角形；所述一级等边三角形的底边与2个二级等边三角形相连；其中，一级等边三角形的内部减去边长为w7的等边三角形，同时在一级等边三角形的2个底边角减去2个边长为w5等边三角形。4.根据权利要求1所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，所述第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地沿同一平面布置；通过调整其尺寸，实现50ω特性阻抗，具备全向辐射特性，天线工作在ism频段；所述调整尺寸的方法具体为：保持第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地尺寸不变，调整第一矩形形状信号地与长矩形到等边三角形组合过渡结构的间距d1，该距离也是第二矩形形状信号地与长矩形到等边三角形组合过渡结构的间距，计算得到天线特性阻抗，实现50ω特性阻抗，具备全向辐射特性，工作在ism频段。5.根据权利要求1所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，所述第一矩形形状信号地、长矩形到等边三角形组合过渡结构和第二矩形形状信号地沿不规则曲面布置；所述可穿戴天线的弯曲曲率半径和其贴合的人体表面曲率半径一致。6.根据权利要求1所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，所述可穿戴天线的工作在ism频段，并且具有600mhz以上的工作带宽。7.根据权利要求1所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，所述编织物衬底结构的厚度为0.25mm。8.根据权利要求1所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线，其特征在于，所述天线通过sma接口与测试设备连接。9.一种权利要求1所述基于石墨的宽频带全向可穿戴天线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将石墨辐射结构的二维尺寸按照1:1比例打印到纸上；步骤二：将石墨膜贴合在一层聚酰亚胺膜上，再将其整体与步骤一打印得到的纸进行胶粘，胶粘面为纸与聚酰亚胺膜接触面；步骤三：沿着石墨辐射结构轮廓，将步骤二胶粘得到的整体结构划切下来，移除纸、聚酰亚胺膜，得到石墨辐射结构；步骤四：将步骤三得到的石墨辐射结构粘连至编织物衬底，得到基于石墨的宽频带全向可穿戴天线。
10.根据权利要求9所述的基于石墨的宽频带全向可穿戴天线的制备方法，其特征在于，所述步骤四中粘连后使编织物衬底边缘与石墨辐射结构的共面波导馈电口齐平。

技术总结
本发明公开了一种基于石墨的宽频带全向可穿戴天线及其制备方法。基于石墨的高导电特性、可弯折性、物理化学稳定性等，本发明提供了一款工作在工业科学医疗频段(ISM频段)的石墨天线。所述天线具有低剖面、宽频带、辐射全向性，以及可与人体表面贴合等特点，采用共面波导结构，具备石墨辐射顶层结构与编织物衬底结构，采用SMA馈电。石墨辐射结构采用多个等边三角形组合形式，结构简单且易于设计制作；编织物衬底结构采用常见的布料，可直接与人体皮肤接触。所述天线可用于室内定位应用、运动数据监测等场景，是未来智能可穿戴设备的重要部分。分。分。


技术研发人员：应小俊 邓庆文 沈思逸 胡友建 尹坤 徐志伟
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8