一种基于聚酰亚胺的超宽带紧凑型柔性天线

郑博仁，冯全源，郑宗良

西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 611756

随着超宽带(UWB)通信技术被批准用于民用，UWB技术在无线通信中的地位得到了改善。由于其传输效率高、多径分辨率强、隐蔽性好、功耗低和成本低等优点，受到了广泛关注[1−5]。超宽带天线可应用于航空航天、电子工业、雷达、监控、高速多媒体无线通信、控制和医学等领域，具有重要的理论研究价值和应用前景。而具有柔性特性的超宽带紧凑天线在设备的便携式和易集成性，以及共形于其他设备等方面具有更大的优势，但是大多数的超宽带紧凑天线都不具备柔性的特性[6−8]。因此，研究柔性的超宽带天线就变得尤为重要。然而可行的具有柔性特性的超宽带天线设计面临着设计尺寸过大、弯折程度过低、弯折后导致天线性能失真等问题[9−14]。

本文基于柔性聚酰亚胺材料，提出一种柔性的超宽带天线，天线具有极低的剖面，厚度仅为0.1 mm，这让天线更加灵活，可以方便地与一些器件共形。天线由一棵树形金属贴片和一个梯形开槽金属贴片组成，尺寸为42 mm×39 mm×0.1 mm，结构紧凑，降低了天线成本。分别将天线弯折30°和60°来验证天线的柔性特性，使得天线适合于在可穿戴设备和其他柔性设备中集成。

1 天线设计与仿真

在文献[12]中，提出了一种制作在液晶聚合物上的柔性超宽带天线，天线由矩形地板和矩形贴片组成。该天线具有简单的结构，但是天线的制作成本较大并且弯折程度过低。聚酰亚胺具有制作成本低的优点，是制作柔性超宽带天线的优良材料。文献[13]采用圆形金属贴片和矩形接地板共面于聚酰亚胺基板的方式制作了一种超宽带天线，该天线能覆盖2～20 GHz的带宽，但是该设计尺寸过大，并且没有对天线进行柔性验证。在文献[14]中，长条形液态金属基板用于设计柔性超宽带天线，由长条形金属贴片与类似于V形的地板组成，虽然天线结构简单易于制作，但是增加了天线的长度。本文基于聚酰亚胺基板，提出新型的紧凑超宽带柔性天线。

1.1 天线结构设计

天线结构如图1所示。天线尺寸为42 mm×39 mm×0.1 mm，制作在厚度为0.1 mm、介电常数为2.8、介电损耗角正切为0.02的柔性聚酰亚胺基板上。由矩形贴片、圆形贴片、三角形贴片和椭圆形贴片组成树状贴片，基板两侧引入2个矩形贴片，通过共面波导的方式对天线进行馈电。通过切割梯形地板和切割半圆形小孔来完成天线的阻抗匹配和达到更好的带宽。使用仿真软件Ansoft HFSS对天线进行仿真，并采用控制变量法对天线结构参数进行优化，综合考虑天线带宽和增益等因素，得到最优天线结构。天线的结构参数如表1所示。

图1 天线结构示意

表1 天线结构参数 mm

1.2 天线设计过程

设计天线过程如图2所示，首先设计2个矩形地板，采用经典的单极子天线模型，使用新颖的树状结构和共面波导馈电的方式得到初始的天线模型，初步仿真该模型可得该天线基本能够覆盖到2.45～12 GHz频段，天线能够覆盖民用超宽带频段(3.1～10.6 GHz)，但是为了实现天线的柔性特性，还需要进行柔性特性的仿真。将天线1弯折30°进行仿真，得到天线的阻抗带宽(S11＜−10 dB)，如图3所示。从图3可以看出，天线弯曲30°后并不能完全覆盖超宽带频段，于是将天线的矩形贴片进行切割，得到图2(b)天线2结构。

图2 天线设计过程

图3 天线1阻抗带宽仿真

分别将天线2弯折30°、弯折60°进行仿真，得到了天线2的阻抗带宽(S11＜−10 dB)图，如图4所示。由图4可知，天线在水平状态和弯折30°状态下能够覆盖到超宽带频段，但是将天线弯折60°后，天线在低频部分(3～5 GHz)就不能覆盖到超宽带频段。

图4 天线2阻抗带宽仿真

1.3 天线结构优化

为了进一步使天线在弯折条件下满足超宽带带宽的要求，在天线2的基础上对天线进行开槽，并且进行参数的优化，结构如图2(c)所示。采用控制变量的方法选择一些重要的参数进行参数优化，图5给出了天线3开槽圆半径(R4)对天线阻抗带宽的影响。显然，R4对天线阻抗带宽有极大的影响。由图5可以看出，随着R4的增大，天线的S11曲线在中频段逐渐上升，在高频段逐渐下降，综合考虑参数对天线性能的影响，选取R4=1 mm。同时，图6给出了切割长度(W4)对天线的影响，不难看出，随着W4的逐渐增加，天线的S11曲线在高频逐渐上升，而在低频上当W4=3 mm时具有最佳的回拨损耗，因此，综合选取天线切割长度W4=3 mm。经过参数的综合优化分析，得到天线的尺寸参数如表1所示。

图5 R4对天线的影响

图6 W4对天线的影响

接下来将优化参数后的天线分别弯折30°和60°进行仿真，得到天线仿真图如图7所示，天线在弯折30°和60°时，虽然图形有所变化和偏移，但是仍然能够覆盖2.45～12 GHz频段，可以覆盖民用超宽带频段(3.1～10.6 GHz)，验证了天线的柔性特性。

图7 天线S11仿真结果

2 天线测试与分析

通过制作实物和测试对天线性能进行评估。图8给出了柔性天线的S11仿真与测试对比图。由图8(a)可以发现，天线在平整状态下测试值的最低频率点略高于仿真值。这可能是由于天线制造过程中的一些误差或测量过程中的一些人体辐射干扰引起的。但测量和仿真有相似的S11曲线，都具有2.45～12 GHz的优良带宽，完全可以覆盖所需的频段。由图8(b)分析不难发现，将天线弯折30°后，天线的S11在高频段略有增加，中心频率略有右移，但仍能覆盖UWB频段。将天线弯曲60°，以进一步验证天线的特性。从理论上讲，天线的弯曲度越大，天线的性能就越容易失真。然而，由图8(c)中可以看出，虽然所述天线的中心频点在弯曲60°后略有偏移，但仍然具有良好的阻抗匹配，能够完全覆盖超宽带频段的带宽。综上所述，当柔性天线弯曲时，该天线的带宽仍然保持不变，证明该天线具有较强的稳定性以及稳定的辐射特性。相较于文献[12]和[14]，本设计具有更宽的阻抗带宽，在尺寸相近的情况下具有更好的弯折特性。相较于文献[13]中55 mm×40 mm×0.5 mm的天线尺寸，该天线结构更加紧凑，并且具有更低的剖面。

图8 天线在不同状态下的S11仿真与测试对比

同时，对天线的远场测试数据进行了分析。通过仿真得到了天线在2.45～12 GHz的峰值增益，如图9所示。天线在该范围内的峰值增益为3.5～6 dBi，并且平均增益达到4 dBi以上。

图9 天线的峰值增益仿真

图10和图11分别给出了天线在2.4、3.4、5、6 GHz下x-z平面和y-z平面上仿真以及测量的标准化方向图。由图10和11可知，在所考虑的频带中，天线在x-z平面和y-z平面上都表现出优异的辐射特性，x-z面的测试方向图为偶极形辐射方向图，y-z面的测试方向图为近似全向的方向图。在低频部分，测试方向图相较于仿真方向图增益有所降低，略微发生形变，高频部分的仿真方向图与测试方向图形状基本一致，增益有所下降，这是因为制作误差等因素导致的。通过观察可以发现，超宽带天线在弯曲和平坦时具有相似的辐射方向图。

图10 天线分别在弯折60°与水平状态下在x-z面上的辐射方向

图11 天线分别在弯折60°与水平状态下在y-z面上的辐射方向

3 结论

本文介绍了一种具有柔性特性的紧凑超宽带天线。

1)该天线采用具有低介电损耗的柔性聚酰亚胺基板，通过天线在水平与弯曲状态下的仿真和测试，验证了天线的宽带特性和良好的柔性特性，天线柔性带宽为2.45～12 GHz，比文献[12]和[14]具有更加优良的柔性性能和更宽的阻抗带宽。

2)基于聚酰亚胺的紧凑型柔性天线具有灵活性、坚固性和紧凑性的优点，相较于文献[13]，相对尺寸减少了13 mm×1 mm×0.5 mm，同时具有制造简便性和良好的辐射特性，是目标用户的合理选择。