纺织开槽微带天线的优化设计及性能

闫江山，姚 澜，王 妮

(东华大学 纺织学院，上海201620)

近年来，随着智能可穿戴技术的发展，可穿戴设备在医疗、军事、休闲娱乐等领域得到了广泛应用，天线作为可穿戴设备中用来传输信号的重要部件，对于信号的传播质量起到决定性作用[1-3]。纺织微带天线，将微带天线本身低剖面、体积小、重量轻、制造工艺简单的优点，与纺织品柔性可弯折、与佩戴者身体可共形的优点结合在一起，在可穿戴设备中具有广阔的应用空间[4-5]。在纺织微带天线的研究中，研究者在兼顾穿戴者舒适性要求和天线性能的同时，将研究重点放在如何缩小天线体积方面。

微带天线的小型化技术包括增加基板的介电常数、短路加载[6]、附加有源网络、采用电磁带隙结构[7]、采用左手材料[8]、表面开槽[9-11]等。其中，表面开槽是实现天线小型化、增加天线带宽的最简单且有效的方法之一。在微带天线辐射元贴片表面开槽，贴片表面的电流路径将发生弯曲，使得电流有效路径变长，天线的谐振频率降低，从而实现天线的小型化。基于表面开槽的纺织微带天线，文献[12]提出一种用于乳腺癌检测的纺织可穿戴天线，该天线以牛仔布为介质基板，总尺寸(长×宽×厚)为80 mm×80 mm×1 mm，在2.4 GHz频率处的回波损耗小于-35 dB，辐射方向图具有全向性。文献[13]提出一种加载人工磁导体和双C形槽的双频纺织开槽微带天线，通过在天线地板下方加载人工磁导体，从而减小天线的反向辐射并提高增益，该天线采用毛毡作为介质基板，在2.45 GHz频率处带宽为123 MHz，增益为5.26 dB，在5.8 GHz处带宽为714 MHz，增益为10.27 dB，总尺寸(长×宽×厚)为90 mm×90 mm×6 mm。文献[14]提出一种用于WLAN和C波段的U形纺织可穿戴微带天线，该天线采用牛仔布作为介质基板，通过使用U形贴片和缺陷地板结构，在6.9 GHz处相对带宽达到60.86%，带宽内的最大增益为5.19 dB，总尺寸(长×宽×厚)为42 mm×43.5 mm×1 mm。综上所述，人工磁导体的存在虽然有利于增加天线的增益，但会增大天线的整体厚度，缺陷地板可增大天线的后向辐射，但不利于可穿戴。因此有必要开发一种小型纺织微带天线，使得天线尺寸减小、带宽增大的同时，不会增大天线的背向辐射。

本文将围绕纺织微带天线小型化展开研究，通过采用加载矩形槽和双T形槽结构，改变天线辐射元表面的电流路径，降低天线的谐振频率，以获得性能优异且尺寸较小的天线。在天线的实现过程中，采用丝网印刷技术对天线进行制作，并对天线的电磁辐射性能进行测试和分析。

1 纺织微带天线结构的设计及优化

1.1 传统纺织微带天线的结构设计

传统纺织微带天线的结构示意图如图1所示，天线的底部为地板，中间层是材料为涤纶毡的介质基板，顶端为天线辐射元，通过50 Ω同轴线馈电。根据拟设计的天线谐振频率(2.45 GHz)和介质基板的电磁参数(介电损耗为0.02，介电常数为1.25)，计算得到传统纺织微带天线结构参数的初始值。利用高频结构仿真软件(high frequency structure simulator)，以在2.45 GHz频率处的回波损耗是否小于-10 dB为标准，对传统纺织微带天线的尺寸参数进行优化，得到最优的天线结构参数为基板宽度Wg=80 mm，基板长度Lg=80 mm，辐射元宽度Wp=49 mm，辐射元长度Lp=50 mm，馈电点与中心位置的距离L1=10 mm，基板厚度h=3 mm。

图1 传统纺织微带天线结构示意图Fig.1 Schematic diagram of conventional textile microstrip antenna structure

1.2 纺织开槽微带天线的结构设计

基于上述的传统纺织微带天线结构，在天线辐射元表面开槽，设计了纺织开槽微带天线，如图2所示。

图2 纺织开槽微带天线结构示意图Fig.2 Schematic diagram of textile slotted microstrip antenna structure

1.2.1 开槽结构优化

一般在天线辐射元表面开槽，可以改变其表面电流路径并降低天线的谐振频率，同时引入新的阻抗匹配并增加天线带宽。本文设计了3种开槽天线，分别为加载单一T形槽(天线1)、加载单一T形槽和矩形槽(天线2)以及加载双T形槽和矩形槽(天线3)，其结构如图3所示。

图3 3种不同开槽的天线结构Fig.3 Three kinds of different slotted antenna structures

3种不同开槽结构天线的回波损耗图如图4所示。

图4 3种开槽天线的回波损耗图Fig.4 Return losses of three kinds of slotted antennas

由图4可知：当在天线辐射元上加载单一T形槽时(天线1)，天线在2.41和3.50 GHz处产生谐振点；当在天线1的基础上加载矩形槽时(天线2)，天线在2.41、2.57和3.50 GHz处产生谐振点；当在天线2的基础上加载T形槽时(天线3)，天线在2.42、2.54和3.53 GHz处产生谐振点。天线2的2.41和2.57 GHz两个谐振点部分重叠，使得天线在2.45 GHz附近的带宽得以增加，但是在2.38～2.58 GHz频段内，部分频点的回波损耗大于-10 dB，未达到标准；天线3在2.38～2.61 GHz频段的回波损耗均小于-10 dB，满足设计要求。

1.2.2 辐射元尺寸及馈电点优化

为确定开槽微带天线最佳尺寸及馈电点，对开槽微带天线的L14、Wp和Lp参数进行仿真优化。辐射元尺寸和馈电点位置对回波损耗的影响图如图5所示。由图5可知：当馈电点位置与中心点位置之间的距离(L14)从12 mm增加到16 mm时，天线回波损耗在2.45 GHz附近呈现先减小再增加趋势；Wp和Lp对天线性能的影响规律相同，随着Wp和Lp的增大，天线的谐振频率减小，天线的回波损耗在2.45 GHz附近呈现先减小再增大趋势。

(a) L14

(b) Wp

(c) Lp

通过对纺织微带天线的开槽结构、辐射元尺寸和馈电点的参数进行优化，得到加载矩形槽和双T形槽的纺织开槽微带天线的最优结构参数如表1所示。

从表1可以看出，纺织开槽微带天线的辐射元尺寸(Wp×Lp)为43 mm×43 mm，与传统纺织微带天线的辐射元尺寸(Wp×Lp=49 mm×50 mm)相比，纺织开槽微带天线的辐射元尺寸减小24.5%。

表1 纺织开槽微带天线的结构参数

2 纺织微带天线的制备

2.1 原料

天线介质基板为涤纶毡，厚度为3 mm，购自邢台南宫市展程毛毡厂；用于制备天线辐射元的纳米级导电银浆，型号为ET-4F，印刷在本文所选涤纶毡上后电导率为5.5×106S/m，购自广州市尤特新材料有限公司；用于同轴馈电的SMA接头，购自深圳市恒盛电子；用于黏接SMA接头与天线的扫描电子显微镜(SEM)用双面碳导电胶带，购自浙江立晶。

2.2 纺织开槽微带天线的制备

根据优化设计结果，采用丝网印刷的方法将导电银浆印刷在涤纶毡上，并在烘箱中烘干30 min，得到天线辐射元。将涤纶毡按照设计的尺寸进行裁剪，在涤纶毡的另一侧覆上铜箔作为天线地板。最后将SMA接头与天线地板结合进行馈电，完成天线的制作。图6为纺织开槽微带天线的实物图。

注：(a) 天线整体图；(b) 侧视图；(c) 天线辐射元图。

2.3 导电银浆微观形貌表征

采用Nikon LV100 pol型专业偏光显微镜观测银浆在涤纶毡上的印刷状态，如图7所示。从图7可以看出，导电银浆已布满涤纶毡表面，并填充入涤纶毡表面纤维间的空隙，形成连续的导电层，如此可以确保天线辐射元具有较好的导电性。

图7 涤纶毡表面导电银浆形貌图Fig.7 Morphology of conductive silver paste on the surface of polyester felt

采用扫描电子显微镜对辐射元与涤纶毡的黏接情况进行观察，如图8所示。从图8可以看出，导电银浆通过丝网印刷在涤纶毡表面形成天线的辐射元，两者黏接性能较好。

图8 辐射元与涤纶毡黏接SEM图Fig.8 SEM image of the bonding between radiation element and polyester felt

3 测试及结果

3.1 回波损耗

天线的回波损耗由Keysight E5071C型网络分析仪测得。普通天线通常要求回波损耗小于-10 dB。传统纺织微带天线和纺织开槽微带天线的回波损耗图如图9所示。

图9 传统纺织微带天线和纺织开槽微带天线的回波损耗图Fig.9 Return losses of conventional and textile slotted microstrip antennas

由图9可知：传统纺织微带天线在2.42～2.49 GHz频段内拥有良好的回波损耗(S11<-10 dB)，相对带宽为2.9%；而纺织开槽微带天线在2.39～2.65 GHz频段内具有良好的回波损耗(S11<-10 dB)，相对带宽为10.6%。由此可见，相比传统纺织微带天线，纺织开槽微带天线的相对带宽提高了7.7%。这是由于纺织开槽微带天线在辐射元表面加载了矩形槽和双T形槽，使得辐射元表面的电流路径增加，同时引入了新的阻抗匹配，增大了天线的带宽。

3.2 天线辐射方向图

天线的辐射方向图是天线辐射强度关于空间位置的关系图，从辐射方向图中可以看出天线的最大增益方向及其相应的增益。为排除其他电磁波的干扰，并提高天线测试结果的准确度，在微波暗室中对传统纺织微带天线和纺织开槽微带天线的辐射方向进行测试，并由PNA-X型测量接收机读取天线辐射方向图。

传统纺织微带天线和纺织开槽微带天线的辐射方向图如图10所示。由图10可知，传统纺织微带天线和纺织开槽微带天线均在谐振频率为2.45 GHz、天线在0°方向时取得最大增益，分别为7.23和4.02 dB，并且两种天线的辐射方向图相似。由此可见，开槽结构未对传统纺织微带天线的辐射方向图造成明显影响。

(a) 传统纺织微带天线 (b) 纺织开槽微带天线

4 结 语

本文提出一种应用于蓝牙频段的加载有矩形槽与双T形槽的纺织开槽微带天线，利用丝网印刷技术，将导电银浆印刷在涤纶毡上制作天线辐射元。微观形貌观察结果表明，导电银浆在涤纶毡表面印刷完整且连续。天线回波损耗测试结果及辐射方向图表明，纺织开槽微带天线在2.39～2.65 GHz实现回波损耗小于-10 dB(相对带宽为10.6%)，最大增益为4.02 dB。与传统纺织微带天线相比，纺织开槽微带天线的相对带宽提高7.7%，辐射元尺寸减小24.5%。本研究结果可为纺织可穿戴天线的小型化及制备提供思路。