崔潔，　劉逢雪，　臧其亮，　徐釗

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008)

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礦用可穿戴翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線設(shè)計(jì)

崔潔1，劉逢雪2，臧其亮1，徐釗2

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008)

根據(jù)煤礦井下對(duì)可穿戴天線的要求，在半模襯底集成空腔天線的基礎(chǔ)上，采用折疊結(jié)構(gòu)降低天線主體的寬度，并利用水平放置的饋電探針實(shí)現(xiàn)可穿戴天線扁平化，設(shè)計(jì)了一種礦用可穿戴翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線。仿真結(jié)果表明，該天線在5 GHz處于諧振狀態(tài)，-10 dB帶寬約為254 MHz，最大增益為5.4 dBi，輻射效率為70%，輻射方向具有較寬的主瓣和較低的背向輻射，且可通過(guò)增加上層襯底厚度來(lái)增加天線-10 dB帶寬。

礦用天線； 可穿戴天線； 半模襯底集成空腔天線； 翻折結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1018.003.html

0　引言

近年來(lái)，可穿戴天線越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)、安全和軍事等領(lǐng)域。在煤礦生產(chǎn)安全方面，可穿戴天線同樣具有巨大的應(yīng)用前景。為了保障井下人員的人身安全，能夠第一時(shí)間對(duì)潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，需要對(duì)井下人員周圍空氣中的氧氣、瓦斯含量等重要指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)、不間斷的監(jiān)控[1]。一旦發(fā)生安全事故，井下人員被困，則需要知道被困人員的位置，監(jiān)控人體心跳、血壓等各項(xiàng)生命指標(biāo)，并且需要被困人員與地面控制中心之間保持通信聯(lián)絡(luò)[2]。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，上述各項(xiàng)功能都可通過(guò)隨身攜帶的傳感器實(shí)現(xiàn)[3]?？纱┐魈炀€能將傳感器獲取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面基站，方便數(shù)據(jù)的及時(shí)存儲(chǔ)和處理。

相較于傳統(tǒng)硬質(zhì)天線，可穿戴天線一般為柔性天線，面對(duì)彎折具有較高的魯棒性，可集成在衣物中，且具有極高的便攜性，對(duì)佩戴者的肢體活動(dòng)影響很小，非常適合井下人員佩戴。為了保證佩戴人員在不同位置和姿態(tài)下都能夠獲得良好的接收信號(hào)，一般需要可穿戴天線具有較寬的主瓣。而為了避免天線與人體之間的相互影響，則需要天線具有較低的背向輻射，一般通過(guò)較大的導(dǎo)電地面尺寸來(lái)提高天線與人體之間的電磁隔離。半模襯底集成空腔天線具有扁平的外形，尺寸僅為傳統(tǒng)背腔縫隙天線的50%，但諧振頻率和帶寬與其相同，而且僅有側(cè)面的一條開(kāi)口，結(jié)構(gòu)較封閉，受灰塵、水氣等環(huán)境因素的干擾較小[4]，適合作為礦用可穿戴天線。本文以半模襯底集成空腔天線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種諧振頻率為5 GHz的礦用可穿戴翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線。

1　天線材料選擇

襯底材料的選擇對(duì)于天線性能，尤其是天線效率的影響很大。常見(jiàn)的可穿戴天線的襯底材料包括皮革、羊毛氈、發(fā)泡材料等。參考文獻(xiàn)[5]中提出的由羊毛氈作為襯底、工作在1 GHz的貼片天線的輻射效率在50%左右，天線效率較低。參考文獻(xiàn)[3]介紹了一種圓形半模襯底集成空腔天線，其襯底由PF-4發(fā)泡材料制成，天線效率高于90%，但發(fā)泡材料價(jià)格高昂，物理強(qiáng)度低且易燃。本文選擇與參考文獻(xiàn)[6]中相同的皮革材料襯底(在5 GHz時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)為1.3，損耗角正切為0.02)進(jìn)行天線設(shè)計(jì)。

可穿戴天線的導(dǎo)電部分一般常用導(dǎo)電織物、導(dǎo)電聚合物或銅箔制成?？紤]到數(shù)字縫紉機(jī)能夠方便地對(duì)導(dǎo)電織物制成的可穿戴天線進(jìn)行制作，本文選擇與參考文獻(xiàn)[6]相同的導(dǎo)電布(方塊電阻為0.04 Ω)和導(dǎo)電縫紉線，經(jīng)縫紉得到方塊電阻為1 Ω的導(dǎo)電側(cè)壁。

2　半模襯底集成空腔天線

半模襯底集成空腔天線由半個(gè)矩形諧振腔和1個(gè)開(kāi)口組成，如圖1所示。a，b分別為空腔的寬度、長(zhǎng)度；ωg，lg分別為底面的寬度、長(zhǎng)度；h為襯底厚度；a0為饋電探針到輻射開(kāi)口的距離。根據(jù)經(jīng)典空腔模型理論的推導(dǎo)，可得半模襯底集成空腔天線諧振頻率為

(1)

式中：c為真空光速；εr為襯底材料的相對(duì)介電常數(shù)。

圖1　半模襯底集成空腔天線

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文選擇半個(gè)正方形的空腔形狀，即b=2a；底面為50 mm×50 mm的正方形，即lg=ωg=50 mm；h=2 mm。經(jīng)過(guò)HFSS參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)a=18.3 mm，b=2a=36.6 mm，a0=12.9 mm時(shí)，天線在5 GHz處于諧振狀態(tài)，且阻抗匹配良好。通過(guò)HFSS仿真得到天線回波損耗曲線如圖2所示，可計(jì)算出天線的-10 dB帶寬約為261 MHz。

圖2　半模襯底集成空腔天線回波損耗曲線

3　翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線

當(dāng)半模襯底集成空腔天線受到如圖3所示的180°翻折后，天線上下兩部分之間的空隙g=1 mm，且保持翻折后的底面總寬度不變，根據(jù)不同的翻折位置距饋電探針的距離y0，可得天線回波損耗曲線，如圖4所示。從圖4可看出，對(duì)于不同的翻折位置，半模襯底集成空腔天線阻抗匹配情況均保持良好，這是因?yàn)榘肽Ｒr底集成空腔天線的開(kāi)口可等效為平行于天線底面的磁偶極子[7]，而在本文所討論的翻折情況下，輻射開(kāi)口未發(fā)生翻折，因此，等效磁偶極子并未受到彎折；翻折情況下的天線諧振頻率有輕微的偏移，這是由于天線的實(shí)際空腔寬度在翻折情況下發(fā)生改變而造成的。

圖3　180°翻折情況下的半模襯底集成空腔天線

圖4　180°翻折情況下的半模襯底集成空腔

圖1所示的半模襯底集成空腔天線結(jié)構(gòu)扁平，但饋電探針卻是豎直的，在實(shí)際使用中需要使用豎直方向的接線進(jìn)行連接，這對(duì)于可穿戴應(yīng)用的扁平化設(shè)計(jì)要求明顯不合適。根據(jù)圖4可知，沿著與空腔開(kāi)口平行方向?qū)μ炀€進(jìn)行翻折，當(dāng)翻折位置和饋電探針重合時(shí)，天線的阻抗匹配不受影響，而且饋電探針呈水平方向放置，更適合實(shí)際的可穿戴應(yīng)用。因此，令y0=0，且g=0，可得到如圖5所示的翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線。a1，a2分別為上層空腔、下層空腔的寬度；h1，h2分別為上層襯底、下層襯底的厚度；d為中層和翻折外側(cè)的間距。

圖5　翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線

經(jīng)過(guò)HFSS參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)b=34 mm，a1=12.5 mm，a2=b/2-a1=4.5 mm，h1=h2=2 mm，d=2 mm，lg=50 mm，ωg=lg/2+a1+d=39.5 mm時(shí)，仿真得到翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線回波損耗曲線如圖6所示。天線在5 GHz時(shí)處于諧振狀態(tài)，阻抗匹配良好，-10 dB帶寬約為254 MHz。

圖6　翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線回波損耗曲線

HFSS仿真得到的天線輻射方向如圖7所示。在xz平面和yz平面內(nèi)，平行極化波的輻射方向均具有很寬的主瓣和很低的背向輻射，符合可穿戴天線對(duì)輻射方向的要求。仿真得到天線最大增益為5.4 dBi，輻射效率為70%。

yz平面xz平面

圖7翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線輻射方向

4　關(guān)鍵參數(shù)分析

為了研究關(guān)鍵參數(shù)h1，h2和d對(duì)天線性能(諧振頻率和-10 dB帶寬)的影響，通過(guò)HFSS進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。從圖8可看出，h1是對(duì)天線-10 dB帶寬影響最大的參數(shù)，而h2和d對(duì)-10 dB帶寬基本沒(méi)有影響；天線諧振頻率隨著h1的增大而升高，但隨著h2的增大而降低，這可能是因?yàn)閷?duì)于不同的h1，h2，為了在仿真中達(dá)到阻抗匹配，a1，a2的比值需要進(jìn)行調(diào)整，而天線阻抗因此發(fā)生了變化所導(dǎo)致的；天線諧振頻率隨著d的增大而降低，這是因?yàn)閐的增大導(dǎo)致上層空腔和下層空腔的實(shí)際寬度a1+d和a2+d增加，而由式(1)可知，天線諧振頻率隨空腔寬度增加而降低。

5　結(jié)語(yǔ)

提出了一種礦用可穿戴翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線的設(shè)計(jì)方案。在半模襯底集成空腔天線的基礎(chǔ)上采用翻折結(jié)構(gòu)，降低了天線主體的寬度，并使用水平放置的探針進(jìn)行饋電，符合可穿戴天線的扁平化設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果表明，該天線的諧振頻率為5 GHz，-10 dB帶寬約為254 MHz，最大增益為5.4 dBi，輻射效率為70%，且輻射方向具有較寬的主瓣和較低的背向輻射，滿足可穿戴天線對(duì)輻射方向的要求。下層襯底厚度對(duì)天線-10 dB帶寬的影響不大，而上層襯底厚度對(duì)-10 dB帶寬具有較大影響，所以，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，可適當(dāng)降低下層襯底厚度，增加上層襯底厚度，以便在保持較小天線厚度的同時(shí)獲得較寬的帶寬。

(a) h1對(duì)天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

(b) h2對(duì)天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

(c)d對(duì)天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

圖8不同參數(shù)對(duì)天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

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Design of mine-used wearable folded half-mode substrate-integrated cavity antenna

CUI Jie1,LIU Fengxue2,ZANG Qiliang1,XU Zhao2

(1.College of Energy and Transportation Engineering, Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221116, China; 2.School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Based on half-mode substrate-integrated cavity antenna, a mine-used wearable folded half-mode substrate-integrated cavity antenna was designed considering requirements for underground wearable antenna. Width of antenna is reduced by use of folded geometry, and planar antenna is realized with horizontal feeding probe structure. The simulation results show that the antenna resonates at 5 GHz, -10 dB bandwidth is 254 MHz, the maximum gain is 5.4 dBi, radiation efficiency is 70%, and the antenna has radiation direction with wide beamwidth and low back radiation. Besides, -10 dB bandwidth of the antenna can be increased with thicker upper substrate.

mine-used antenna; wearable antenna; half-mode substrate-integrated cavity antenna; folded geometry

1671-251X(2016)06-0008-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.003

2016-04-01；

2016-04-21；責(zé)任編輯：盛男。

國(guó)家安全監(jiān)管總局資助項(xiàng)目(jiangsu-0002-2015AQ)。

崔潔(1987-)，女，山東棗莊人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)槊旱V井下信道建模和天線設(shè)計(jì)，E-mail:348651736@qq.com。

TD655.3

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:18

1671-251X(2016)06-0012-0510.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.004

崔潔，劉逢雪，臧其亮，等.礦用可穿戴翻折結(jié)構(gòu)半模襯底集成空腔天線設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(6)：8-12.