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[经验] 国内外柔性可穿戴天线研究现状与发展趋势

2018-3-1 10:07:33  3414 柔性 天线 发展趋势
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   1.2.1 柔性可穿戴天线研究现状
   国内关于柔性可穿戴天线的研究仍处于起步阶段,关于柔性可穿戴天线方面的研究成果并不多,主要集中在北京邮电大学、东南大学、西安电子科技大学、华南理工大学等高校。近些年,随着穿戴式智能终端设备的日益增多,在无线通信设计环节,具备柔性、可共形等特点的天线设计与实现逐渐受到研究者的关注,并取得了一定的研究成果。从已发表的研究成果看,国内关于柔性可穿戴天线的研究,一方面是基于导电织物,通过在织物基体上编织不同结构的柔性可穿戴织物天线;另一方面是天线阵,在服装等基体上设计成腰带或马甲式的大型天线阵。与国外研究成果相比,国内在基于其他柔性介质基体和新型材料研制柔性可穿戴天线方面的研究较少。
   北京邮电大学刘宁[9]等人提出一款用于人体中心网络的超宽带可穿戴织物天线,并对比分析了不同导电织物的电磁特性以及不同编织方式对天线性能的影响。同时,基于人体三层组织人体模型,分析了近人体情形下人体对穿戴式柔性织物天线性能的影响。基于导电织物成功设计出 2.4 GHz ISM 频段可穿戴圆极化天线、可穿戴超宽带天线、甚高频以及特高频天线。
   华南理工大学邸允会[10,11]等人基于人工磁导体最基本的表面波带隙与反射相位带隙特性,开展面向体域网的可穿戴天线研究,包括了双频单极子天线和宽带风车型偶极子天线,并对天线在体表弯曲时的性能以及天线对人体的辐射特性等进行研究。研究结果表明,人工磁导体结构在提升天线增益、降低天线与人体合度以及保持天线低剖面特性等方面具有重要作用。东南大学刘广东[12]等人提出一种基于微带馈电的 U 型缝加载 PIFA 天线,并利用 CST(Computer Simulation Technology)仿真软件建立人体模型,研究人体对天线阻抗匹配和辐射特性等性能的影响。
   西安电子科技大学吴强[13]等人提出一款与人体腰部共形的微带共形天线阵和基于马甲载体的可穿戴共形天线阵的设计方法,然而,上述两款共形天线阵的导电辐射贴片选材均是铜箔,同时,天线介质基材也是刚性的,仅在一定程度上减少了在穿戴过程中因发生弯曲、拉伸、折叠等形变对共形天线阵性能造成的影响,由于基材采用刚性介质板,会导致共形天线阵质量增加,且影响其穿戴舒适度。
   随着纳米打印技术的日益成熟,借助纳米打印技术在不同柔性基体上打印电子墨水制备柔性电子器件成为一种新兴技术和解决方案。其中,中国科学院化学研究所新材料实验室宋延林[14]课题组在纳米绿色打印领域取得了优异的成果,并将纳米打印技术成功应用于柔性印刷电路、柔性天线研究中。纳米打印技术在电子领域中的应用,很大程度上克服了传统印刷造成的资源浪费和费料污染等弊端,图 1.4 为宋延林课题组在不同柔性基体上通过打印银纳米颗粒制备柔性电子器件。图 1.5 为宋延林等人基于绿色纳米打印技术在柔性基体上研制的柔性电路及天线实物图,该柔性电子系统已成功应用于北京 APEC 会议场馆门卡的设计中。


   国外关于柔性可穿戴天线的研究起步较早,从已发表的研究成果看,国外最早关于柔性可穿戴天线研究是芬兰的 Salonen P 等人[15]于 1999 年提出的一款应用于全球移动通信的小型平面倒 F 天线。随着材料及工艺的发展,越来越多的新型材料逐渐应用于柔性可穿戴天线的研究中。柔性织物因其具备透气、柔软、穿戴舒适等独特的优势成为可穿戴天线柔性介质基体的理想基材,并广泛用于制备织物天线。柔性织物天线通常可分为两类[16],一类是基于纺织或刺绣工艺,将导电纤维按照天线的结构缝在织物基体上;另一类是基于喷墨打印/涂覆等工艺,在柔性织物基体上按照天线结构通过打印纳米导电颗粒或涂覆导电聚合物等制备柔性可穿戴织物天线。图 1.6 为美国俄亥俄州立大学(The Ohio State University)基于纺织制造技术研制的一款织物天线,通过在柔性布料基体中刺绣直径为 0.1 毫米的特殊导电材料,并依据天线结构绣成对应的图案以实现织物天线功能。

   通过编织或刺绣等工艺在柔性织物基体上制备柔性可穿戴天线,天线辐射贴片电阻率的均匀性很难保障,此外,由于导电纤维在编织或刺绣过程中会形成缝隙,且导电纤维形成的交叉结构使得辐射贴片表面粗糙,不利于降低电阻率,影响天线的辐射性能。相比于编织或刺绣等工艺,波兰罗兹理工大学 Stempien Z [17]等人基于喷涂打印技术在织物柔性基体上打印银纳米颗粒制备的柔性可穿戴织物天线,喷涂打印工艺提升了辐射贴片的表面平整性与均匀性,同时,其加工精度可控。图 1.8 为 Park M 等人[18] 在弹性纺织纤维表面喷涂打印银纳米颗粒制备柔性可拉伸半波偶极子天线。随着纳米打印技术的日益成熟,在不同基体上喷涂打印电子墨水,如银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管、石墨烯等,制备柔性可穿戴新型天线及柔性电子器件已成为广大科研人员的研究热点之一[19,20]。

   
   石墨烯是目前发现最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收 2.3%的光。具备特殊二维结构特点的石墨烯因其具备独特的物理特性,如良好的电流承载能力、电导率和热导率(导热系数高达 6600W/mK)等,已逐渐应用于移动设备、航空航天、新能源电池显示器和柔性电子等领域[21,22]。曼彻斯特大学 Xianjun Huang [23]等人通过在聚酰亚胺柔性基体上打印 Gra-ink 102E 型石墨烯导电墨水提出一款柔性可穿戴天线,并应用于可穿戴通信系统中,图 1.9(a)为聚酰亚胺柔性基体上打印石墨烯可穿戴天线的实物图,图 1.9(b)是微弯曲状态辐射方向图测试装置,图 1.9(c)-(d)是不同弯曲状态下方向图测试装置,测试结果论证了其设计方案的可行性。哈佛大学 Kubo M[24]等人通过在 PDMS 柔性基体中注入镓铟合金液态金属制备一款柔性可拉伸微流体式射频天线,其结构示意图和实物图如图 1.10 所示,在 0~120%应变范围内,其中心频率由 1.53 GHz 逐渐降低至 0.738 GHz。


   透明导电薄膜由于兼备导电特性和光学透明特性等独特优势成为设计透明天线的首选,透明天线具有隐蔽性高、美观性强以及安装位置灵活等特点,可以将天线安装位置转移至终端显示器、汽车挡风板、玻璃表面等地方,对节省产品空间具有重要意义。图 1.11 是 Azini A S [25]等人在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)柔性基体上溅射氧化铟锡(ITO)透明导电层制备的透明天线。图 1.12 为 Hong S [26]等人提出了一款透明可穿戴天线,并将其应用于眼镜框上,作者基于人体头部模型,通过仿真和实测两个方面研究该透明天线对人体的辐射。


来自海洋兴业仪器http://www.hyxyyq.com

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