[發(fā)明專利]一種基于石墨的寬頻帶全向可穿戴天線及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-11-15
• 公開（公告）號: CN114156637B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發(fā)明（設計）人: 應小俊;鄧慶文;沈思逸;胡友建;尹坤;徐志偉
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q1/48;H01Q1/27;H01Q5/20;H01Q5/50;H05K3/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發(fā)明公開了一種基于石墨的寬頻帶全向可穿戴天線及其制備方法。基于石墨的高導電特性、可彎折性、物理化學穩(wěn)定性等，本發(fā)明提供了一款工作在工業(yè)科學醫(yī)療頻段(ISM頻段)的石墨天線。所述天線具有低剖面、寬頻帶、輻射全向性，以及可與人體表面貼合等特點，采用共面波導結(jié)構，具備石墨輻射頂層結(jié)構與編織物襯底結(jié)構，采用SMA饋電。石墨輻射結(jié)構采用多個等邊三角形組合形式，結(jié)構簡單且易于設計制作；編織物襯底結(jié)構采用常見的布料，可直接與人體皮膚接觸。所述天線可用于室內(nèi)定位應用、運動數(shù)據(jù)監(jiān)測等場景，是未來智能可穿戴設備的重要部分。

技術領域

本發(fā)明涉及可穿戴通信領域的天線技術領域，尤其涉及一種基于石墨的寬頻帶全向可穿戴天線及其制備方法。

背景技術

可穿戴通信技術是近年來快速發(fā)展的技術之一,可穿戴技術與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術、智能平臺以及醫(yī)療健康領域緊密相連，可被應用于運動監(jiān)測、健康管理以及室內(nèi)定位等領域。天線作為通信系統(tǒng)收發(fā)信號的關鍵設備之一，其性能對于通信系統(tǒng)而言至關重要。特別是在可穿戴技術領域，天線除了要具備良好的輻射轉(zhuǎn)換效率，還應該具備良好的共形特性，緊湊的尺寸和穿戴舒適性。而傳統(tǒng)的金屬材料天線，包括銅、金等，容易被空氣氧化，并且在潮濕環(huán)境容易被腐蝕，這會帶來天線性能的下降；同時金屬材料天線不太容易做到良好的共形，這些導致傳統(tǒng)天線在可穿戴技術領域的應用受限。

石墨作為一種新型材料一直受到研究人員的關注，石墨具備良好的導電性能、導熱性能、物理化學穩(wěn)定性、良好的延展性，以及相比于金屬的環(huán)保性，成為可穿戴通信技術的一種可行應用材料。石墨天線也將成為可穿戴通信技術領域的一個重要組成。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對可穿戴通信技術領域?qū)τ谔炀€共形、電磁性能以及物理化學穩(wěn)定性的需求，提出一種基于石墨的寬頻帶全向可穿戴天線及其制備方法，設計出一型具有結(jié)構簡單、寬頻段、輻射全向、低剖面的石墨可穿戴天線；基于設計參數(shù)，制備出該可穿戴天線，并測試相關場景下的電磁性能，滿足指標要求。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：一種基于石墨的寬頻帶全向可穿戴天線，包括石墨輻射結(jié)構和編織物襯底結(jié)構；所述石墨輻射結(jié)構與編織物襯底結(jié)構粘連；所述石墨輻射結(jié)構采用共面波導形式，包括依次布置的第一矩形形狀信號地、長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構和第二矩形形狀信號地；所述第一矩形形狀信號地和第二矩形形狀信號地關于長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構對稱；所述長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構支持共面波導饋電形式，用于通過天線高頻信號。

進一步地，所述石墨輻射結(jié)構中石墨的電導率在2×10⁶S/m量級，石墨的厚度為25um。

進一步地，所述長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構具體為長矩形和等邊三角形組合相連；所述等邊三角形組合與長矩形的寬邊相連；所述等邊三角形組合包括一級等邊三角形和2個二級等邊三角形；所述一級等邊三角形的底邊與2個二級等邊三角形相連；其中，一級等邊三角形的內(nèi)部減去邊長為w7的等邊三角形，同時在一級等邊三角形的2個底邊角減去2個邊長為w5等邊三角形。

進一步地，所述第一矩形形狀信號地、長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構和第二矩形形狀信號地沿同一平面布置；通過調(diào)整其尺寸，實現(xiàn)50Ω特性阻抗，具備全向輻射特性，天線工作在ISM頻段；

所述調(diào)整尺寸的方法具體為：保持第一矩形形狀信號地、長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構和第二矩形形狀信號地尺寸不變，調(diào)整第一矩形形狀信號地與長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構的間距d1，該距離也是第二矩形形狀信號地與長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構的間距，計算得到天線特性阻抗，實現(xiàn)50Ω特性阻抗，具備全向輻射特性，工作在ISM頻段。

進一步地，所述第一矩形形狀信號地、長矩形到等邊三角形組合過渡結(jié)構和第二矩形形狀信號地沿不規(guī)則曲面布置；所述可穿戴天線的彎曲曲率半徑和其貼合的人體表面曲率半徑一致。

進一步地，所述可穿戴天線的工作在ISM頻段，并且具有600MHz以上的工作帶寬。