蓝牙天线延展性分析与优化设计

发布时间：2020-05-08 20:18

【摘要】：近年来物联网的崛起带动了可穿戴领域快速发展,体域网的出现对可穿戴设备提出了新需求:在生物医疗应用中要求可穿戴设备能够紧密贴合在人体的皮肤表面,这就要求可穿戴设备的通信天线也同时具有可延展可弯曲柔性。传统的板载天线通常使用PCB板作为基底,不具有柔性,难以直接应用在柔性可穿戴领域,因此设计具有可延展柔性的天线成为新的研究热点。针对可穿戴领域对柔性天线的需求,本文从传统蓝牙天线的结构出发,将传统天线的PCB基底换成柔性PDMS衬底,仿真分析了五种常见的蓝牙天线结构在受到外力拉伸时天线性能的变化。仿真结果表明,具有直线形走线的天线在受到外力拉伸时,在平行辐射臂方向上的拉伸形变对天线的性能影响较大;而具有曲流形结构的天线,无论是直角走线还是圆弧走线的形式,在拉伸条件下都表现出工作带宽的稳定性,其中直角走线的天线在拉伸过程中还体现出中心频率的振荡特性。仿真结果也表明,传统天线结构在受到幅度小于10%的拉伸时天线工作频带移出蓝牙频段,因此无法通过替换柔性基底的方式直接应用在柔性可穿戴领域,柔性可延展天线结构需要重新优化设计。在拉伸仿真得到的不同天线结构可延展特性的基础上,对传统蓝牙天线结构进行柔性优化设计。设计了两款具有可延展柔性的蓝牙天线结构,分别是可延展倒F天线和可延展柔性双臂倒F天线,对两款天线在平面内X轴向和Y轴向上的可拉伸特性和空间内的可弯曲特性进行了仿真,分析了两款天线在发生形变时的辐射特性的变化。在保证工作带宽完全覆盖蓝牙频段的条件下,对于设计的可延展倒F天线而言,天线在X轴向可拉伸20%,在Y轴向上可做到60%的拉伸,天线可以做到曲率半径最小为8mm(极限值)的曲率弯曲;对于可延展柔性双臂倒F天线而言,天线在X轴向可拉伸30%,可拉伸的幅度更大,但是在Y轴向上仅可做到20%的拉伸,同时可以做到曲率半径最小为10mm(极限值)的曲率弯曲。由于基底采用了生物相容性较好的PDMS材料,所以设计的可延展天线可以贴合在人体表面,并能够很好地适应表面皮肤的拉伸和弯曲形变而保持性能的稳定,可以应用在可穿戴医疗、健康数据监测等领域。
【图文】：

柔性,硅基,半导体器件,可延展性

[6]。图1.1 柔性可延展岛桥结构图从该结构可以看到，硅基半导体器件减薄后被放置在柔性高分子衬底材料表面，以分布的岛的形式布局，相邻硅基半导体器件之间通过具有柔性的互连线进行电气连接，硅基器件被划分成多个小的岛状结构以提高柔性、可延展性。柔性可延展无机电子技

地平面,天线,可延展性

测结果表明，天线在发生物理断裂之前，，在 Y 方向上可以承受 20%的拉伸形变同时保证工作频带稳定，而单独对地平面的拉伸表明，地平面可以承受 30%的拉伸形变。图1.2 具有分割地平面的倒 F 型天线该天线只是改进了传统倒 F 天线的地平面结构，而天线辐射部分仍然采用了直线型走线，所以天线整体的可延展性受到限制，进行的拉伸实验也仅限于垂直于辐射臂的 Y 方向上，X 方向的拉伸由于受直线型走线结构的限制而难以进行，延展性只存在于一个方向上，无法实现平面内多维度的可延展。1.2.2 新材料实现天线可延展天线结构上的改进虽然可以让天线具有一定的延展性，但是提升的幅度非常有限。随着近年来材料技术的发展，新材料的出现为可延展天线设计提供了更多的可能性。为了进一步提高天线的可延展性
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

【参考文献】