柔性纺织共形天线的构建及其辐射性能研究

发布时间：2020-05-21 02:55

【摘要】：智能穿戴设备在健康医疗、军事作战、工程辅助、体育竞赛、休闲娱乐等领域有广泛的应用前景。例如,智能作战服使士兵的通讯操作更加便捷,同时提供实时体征监测和定位功能,让战略部署和搜索救援工作变得更有效率。用于医疗领域的智能穿戴设备能为病患提供远程实时健康监测服务,建立健康档案用于疾病预测和辅助医疗,提高用户的就医效率并节约用户的就医成本。在上述智能穿戴设备中,天线是负责数据传输、无线通信的重要元件,它让用户的行动免受传输线的干扰。在人体环境下建立的通信网络被称为人体域通信系统,工作于人体域通信系统的天线被称为可穿戴天线。可穿戴天线需要满足佩戴舒适性强、质量轻、隐蔽性好以及不干扰用户正常活动的要求,因此,轻便柔软且价格合理的纺织材料成为代替传统硬质材料制作可穿戴天线的理想选择。柔性共形纺织天线的设计充满挑战。首先,纺织材料属于含有孔隙的非均质材料,纺织天线的性能容易受到纺织结构的影响。其次,纺织天线在人体轮廓上容易弯曲变形,从而影响天线的性能。最后,人体具备高介电常数和介电损耗,纺织天线在人体域环境中易受影响,造成天线阻抗失配及损耗增大等问题。因此,本文在构建新型纺织天线的基础上,进一步研究了织物结构、弯曲变形、以及人体环境对纺织天线性能的影响。本文的研究包括以下四方面内容:(1)首先,为了研究因纺织结构造成的天线表面不匀对天线性能的影响,本文设计了较为简单的纺织偶极子天线。天线的工作频率为915 MHz,谐振点处的实测S_(11)值为-15.3 dB,实测增益为3.4 dBi,实测方向图表现出典型的全向辐射特性。天线的实测性能与仿真性能有良好的一致性,表明纺织偶极子天线的性能理想。为了得到天线表面不匀的数学表征,研究中根据天线基底的缝合结构和导电层中的平纹结构,建立了缝合结构和平纹结构的天线表面模型。利用模型即可根据织物结构参数计算出天线的表面均方根误差,从而根据天线表面均方根误差与适用频率之间的关系,推导出织物结构参数与适用频率之间的关系。(2)偶极子天线的辐射有全向性,为了减小天线指向人体的辐射,本文继续设计并研究了背瓣小、前瓣大的纺织微带天线。天线被嵌入三维正交机织结构中以实现较高的纺织共形程度。为了探究三维机织天线导电层纺织结构对天线性能的影响,研究中设计了基础的单元微带天线,并制作了六个结构不同的天线样品。根据天线的表面电流分布,三维机织微带天线导电层中电流向内层经纱表面聚集,经纱垂直于馈电方向时,电流要在经纱和纬纱表面攀爬来跨越经纱之间的空隙,从而导致电流路径增加,谐振频率降低,辐射性能改变。因此,选择合适的经纱对三维机织微带天线尤为重要。基于单元微带天线的研究,本文进一步设计并制作了含有两个正交端口的双极化微带天线。天线两端口间拥有102 MHz的公共带宽,隔离度为17.2 dB,方向图拥有典型的前瓣大、后瓣小的特征,增益在合理的范围之内,表明天线的两端口能够同时正常工作。(3)为了使天线满足高速、大容量、低能耗的通信需求,本文基于三维正交机织结构,继续设计并制作了超宽带天线。天线在2 GHz到13 GHz的频率范围内有10.3 GHz的-10 dB实测带宽,带内增益在正常范围之内,天线方向图有全向辐射特性。人体在天线作用下的吸收辐射率仿真结果表明,天线的辐射在规定的安全范围之内。天线在不同曲率下弯曲的性能测试结果表明,弯曲对超宽带天线的性能影响有限,说明天线在依照人体弧度产生合理弯曲时仍能保持相对稳定可靠的性能。(4)智能穿戴设备的能量供给有限,为了使天线可以通过捕获读写器发射的信号中的能量工作,本文的最后一部分设计并制作了纺织圆极化无源RFID标签天线。天线在设计上使用了地板以减少人体环境对其性能的影响,同时在矩形辐射单元上利用切角和开槽的方法使天线实现圆极化和小型化。圆极化RFID天线的实测性能理想,在空气中和人体上均有良好的阻抗匹配性能,空气中和人体上的实测轴比分别为2.1 dB和2.2 dB,轴比最低处的实测读写距离分别达到9.1 m和8.4 m。综上所述,本论文围绕智能穿戴系统中的天线部分做了一系列研究。主要实现了纺织共形偶极子天线、三维机织共形微带天线、三维机织共形超宽带天线、以及纺织共形圆极化无源RFID天线四种天线形式。通过建模、计算、仿真等方法对上述天线的性能进行了较为完整的对比和分析,同时详细研究了纺织结构对天线性能的影响。上述工作在纺织天线领域属于较为系统和深入的研究,为后续纺织共形天线的研究提供了数据基础和理论支持。
【图文】：

军事领域,天线,士兵

第一章绪论1.1 课题的研究背景与意义智能穿戴设备指工作于人体域环境，通过实时收集用户自身环境和周身环境相关参数，或与用户进行人机交互，提高用户的工作效率和生活质量的便携设备，它在健康医疗、国防军事、工程辅助、体育竞赛、休闲娱乐等领域有广泛的应用前景。例如，美军 2013 年在一次会议上提出战术突击轻型作战服（Tactical AssaultLight Operator Suit, TALOS）的概念，希望开发一种能够提升士兵负重能力、能感知士兵状态、并能防弹的新型智能作战服[1]。集成了传感器和智能材料的作战服可以对单个士兵进行实时的定位与追踪，提高作战效率的同时也为士兵的身份识别和搜救提供便利。集成于服装中的通讯设备和天线有望取代旧式手持无线手台，解放士兵的双手同时提高作战的隐蔽性。

东华大学博士学位论文第一章绪论目前世界的人口结构逐渐趋于老龄化，2000 年 60 岁以上的老年人已经超过6 亿，是 1950 年的三倍，而预计到 2050 年，全球老龄人口将达到 21 亿[4,5]。人口的老龄化加重了社会的公共服务和医疗负担，，使用智能穿戴产品可以有效地减少老年人的护理和就医成本。医疗中心可以通过智能穿戴设备对老年人的血压、心率等生理指标进行远程实时监测，生成个人健康档案，为老年人提供有效的疾病预测和及时的治疗[3,6,7]。远程医疗监测系统还可以通过人体域智能监测设备记录老年人或者病人在室内的活动轨迹。例如，图 1.1（b）中的无线智能监测系统通过安装在人体域的多个标签天线记录病人的睡眠情况，如果病人存在起夜频繁或掉落床铺等异常情况，医生和护士可以及时发现。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS106.6

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