礦用可穿戴翻折結構半模襯底集成空腔天線設計

崔潔，　劉逢雪，　臧其亮，　徐釗

(1.江蘇建筑職業技術學院 能源與交通工程學院， 江蘇 徐州　221116；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221008)

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礦用可穿戴翻折結構半模襯底集成空腔天線設計

崔潔1，劉逢雪2，臧其亮1，徐釗2

(1.江蘇建筑職業技術學院 能源與交通工程學院， 江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221008)

根據煤礦井下對可穿戴天線的要求，在半模襯底集成空腔天線的基礎上，采用折疊結構降低天線主體的寬度，并利用水平放置的饋電探針實現可穿戴天線扁平化，設計了一種礦用可穿戴翻折結構半模襯底集成空腔天線。仿真結果表明，該天線在5 GHz處于諧振狀態，-10 dB帶寬約為254 MHz，最大增益為5.4 dBi，輻射效率為70%，輻射方向具有較寬的主瓣和較低的背向輻射，且可通過增加上層襯底厚度來增加天線-10 dB帶寬。

礦用天線； 可穿戴天線； 半模襯底集成空腔天線； 翻折結構

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1018.003.html

0　引言

近年來，可穿戴天線越來越多地應用于醫療監控、運動、安全和軍事等領域。在煤礦生產安全方面，可穿戴天線同樣具有巨大的應用前景。為了保障井下人員的人身安全，能夠第一時間對潛在的危險進行預警，需要對井下人員周圍空氣中的氧氣、瓦斯含量等重要指標進行實時、不間斷的監控[1]。一旦發生安全事故，井下人員被困，則需要知道被困人員的位置，監控人體心跳、血壓等各項生命指標，并且需要被困人員與地面控制中心之間保持通信聯絡[2]。隨著無線傳感網絡技術的廣泛應用，上述各項功能都可通過隨身攜帶的傳感器實現[3]。可穿戴天線能將傳感器獲取的各項數據實時傳輸給地面基站，方便數據的及時存儲和處理。

相較于傳統硬質天線，可穿戴天線一般為柔性天線，面對彎折具有較高的魯棒性，可集成在衣物中，且具有極高的便攜性，對佩戴者的肢體活動影響很小，非常適合井下人員佩戴。為了保證佩戴人員在不同位置和姿態下都能夠獲得良好的接收信號，一般需要可穿戴天線具有較寬的主瓣。而為了避免天線與人體之間的相互影響，則需要天線具有較低的背向輻射，一般通過較大的導電地面尺寸來提高天線與人體之間的電磁隔離。半模襯底集成空腔天線具有扁平的外形，尺寸僅為傳統背腔縫隙天線的50%，但諧振頻率和帶寬與其相同，而且僅有側面的一條開口，結構較封閉，受灰塵、水氣等環境因素的干擾較小[4]，適合作為礦用可穿戴天線。本文以半模襯底集成空腔天線為基礎，設計了一種諧振頻率為5 GHz的礦用可穿戴翻折結構半模襯底集成空腔天線。

1　天線材料選擇

襯底材料的選擇對于天線性能，尤其是天線效率的影響很大。常見的可穿戴天線的襯底材料包括皮革、羊毛氈、發泡材料等。參考文獻[5]中提出的由羊毛氈作為襯底、工作在1 GHz的貼片天線的輻射效率在50%左右，天線效率較低。參考文獻[3]介紹了一種圓形半模襯底集成空腔天線，其襯底由PF-4發泡材料制成，天線效率高于90%，但發泡材料價格高昂，物理強度低且易燃。本文選擇與參考文獻[6]中相同的皮革材料襯底(在5 GHz時，相對介電常數為1.3，損耗角正切為0.02)進行天線設計。

可穿戴天線的導電部分一般常用導電織物、導電聚合物或銅箔制成。考慮到數字縫紉機能夠方便地對導電織物制成的可穿戴天線進行制作，本文選擇與參考文獻[6]相同的導電布(方塊電阻為0.04 Ω)和導電縫紉線，經縫紉得到方塊電阻為1 Ω的導電側壁。

2　半模襯底集成空腔天線

半模襯底集成空腔天線由半個矩形諧振腔和1個開口組成，如圖1所示。a，b分別為空腔的寬度、長度；ωg，lg分別為底面的寬度、長度；h為襯底厚度；a0為饋電探針到輻射開口的距離。根據經典空腔模型理論的推導，可得半模襯底集成空腔天線諧振頻率為

(1)

式中：c為真空光速；εr為襯底材料的相對介電常數。

圖1　半模襯底集成空腔天線

為了簡化設計，本文選擇半個正方形的空腔形狀，即b=2a；底面為50 mm×50 mm的正方形，即lg=ωg=50 mm；h=2 mm。經過HFSS參數優化，當a=18.3 mm，b=2a=36.6 mm，a0=12.9 mm時，天線在5 GHz處于諧振狀態，且阻抗匹配良好。通過HFSS仿真得到天線回波損耗曲線如圖2所示，可計算出天線的-10 dB帶寬約為261 MHz。

圖2　半模襯底集成空腔天線回波損耗曲線

3　翻折結構半模襯底集成空腔天線

當半模襯底集成空腔天線受到如圖3所示的180°翻折后，天線上下兩部分之間的空隙g=1 mm，且保持翻折后的底面總寬度不變，根據不同的翻折位置距饋電探針的距離y0，可得天線回波損耗曲線，如圖4所示。從圖4可看出，對于不同的翻折位置，半模襯底集成空腔天線阻抗匹配情況均保持良好，這是因為半模襯底集成空腔天線的開口可等效為平行于天線底面的磁偶極子[7]，而在本文所討論的翻折情況下，輻射開口未發生翻折，因此，等效磁偶極子并未受到彎折；翻折情況下的天線諧振頻率有輕微的偏移，這是由于天線的實際空腔寬度在翻折情況下發生改變而造成的。

圖3　180°翻折情況下的半模襯底集成空腔天線

圖4　180°翻折情況下的半模襯底集成空腔

圖1所示的半模襯底集成空腔天線結構扁平，但饋電探針卻是豎直的，在實際使用中需要使用豎直方向的接線進行連接，這對于可穿戴應用的扁平化設計要求明顯不合適。根據圖4可知，沿著與空腔開口平行方向對天線進行翻折，當翻折位置和饋電探針重合時，天線的阻抗匹配不受影響，而且饋電探針呈水平方向放置，更適合實際的可穿戴應用。因此，令y0=0，且g=0，可得到如圖5所示的翻折結構半模襯底集成空腔天線。a1，a2分別為上層空腔、下層空腔的寬度；h1，h2分別為上層襯底、下層襯底的厚度；d為中層和翻折外側的間距。

圖5　翻折結構半模襯底集成空腔天線

經過HFSS參數優化，當b=34 mm，a1=12.5 mm，a2=b/2-a1=4.5 mm，h1=h2=2 mm，d=2 mm，lg=50 mm，ωg=lg/2+a1+d=39.5 mm時，仿真得到翻折結構半模襯底集成空腔天線回波損耗曲線如圖6所示。天線在5 GHz時處于諧振狀態，阻抗匹配良好，-10 dB帶寬約為254 MHz。

圖6　翻折結構半模襯底集成空腔天線回波損耗曲線

HFSS仿真得到的天線輻射方向如圖7所示。在xz平面和yz平面內，平行極化波的輻射方向均具有很寬的主瓣和很低的背向輻射，符合可穿戴天線對輻射方向的要求。仿真得到天線最大增益為5.4 dBi，輻射效率為70%。

yz平面xz平面

圖7翻折結構半模襯底集成空腔天線輻射方向

4　關鍵參數分析

為了研究關鍵參數h1，h2和d對天線性能(諧振頻率和-10 dB帶寬)的影響，通過HFSS進行仿真，結果如圖8所示。從圖8可看出，h1是對天線-10 dB帶寬影響最大的參數，而h2和d對-10 dB帶寬基本沒有影響；天線諧振頻率隨著h1的增大而升高，但隨著h2的增大而降低，這可能是因為對于不同的h1，h2，為了在仿真中達到阻抗匹配，a1，a2的比值需要進行調整，而天線阻抗因此發生了變化所導致的；天線諧振頻率隨著d的增大而降低，這是因為d的增大導致上層空腔和下層空腔的實際寬度a1+d和a2+d增加，而由式(1)可知，天線諧振頻率隨空腔寬度增加而降低。

5　結語

提出了一種礦用可穿戴翻折結構半模襯底集成空腔天線的設計方案。在半模襯底集成空腔天線的基礎上采用翻折結構，降低了天線主體的寬度，并使用水平放置的探針進行饋電，符合可穿戴天線的扁平化設計要求。仿真結果表明，該天線的諧振頻率為5 GHz，-10 dB帶寬約為254 MHz，最大增益為5.4 dBi，輻射效率為70%，且輻射方向具有較寬的主瓣和較低的背向輻射，滿足可穿戴天線對輻射方向的要求。下層襯底厚度對天線-10 dB帶寬的影響不大，而上層襯底厚度對-10 dB帶寬具有較大影響，所以，在設計天線時，可適當降低下層襯底厚度，增加上層襯底厚度，以便在保持較小天線厚度的同時獲得較寬的帶寬。

(a) h1對天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

(b) h2對天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

(c)d對天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

圖8不同參數對天線諧振頻率和-10 dB帶寬的影響

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Design of mine-used wearable folded half-mode substrate-integrated cavity antenna

CUI Jie1,LIU Fengxue2,ZANG Qiliang1,XU Zhao2

(1.College of Energy and Transportation Engineering, Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221116, China; 2.School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Based on half-mode substrate-integrated cavity antenna, a mine-used wearable folded half-mode substrate-integrated cavity antenna was designed considering requirements for underground wearable antenna. Width of antenna is reduced by use of folded geometry, and planar antenna is realized with horizontal feeding probe structure. The simulation results show that the antenna resonates at 5 GHz, -10 dB bandwidth is 254 MHz, the maximum gain is 5.4 dBi, radiation efficiency is 70%, and the antenna has radiation direction with wide beamwidth and low back radiation. Besides, -10 dB bandwidth of the antenna can be increased with thicker upper substrate.

mine-used antenna; wearable antenna; half-mode substrate-integrated cavity antenna; folded geometry

1671-251X(2016)06-0008-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.003

2016-04-01；

2016-04-21；責任編輯：盛男。

國家安全監管總局資助項目(jiangsu-0002-2015AQ)。

崔潔(1987-)，女，山東棗莊人，助教，碩士，主要研究方向為煤礦井下信道建模和天線設計，E-mail:348651736@qq.com。

TD655.3

A網絡出版時間：2016-06-01 10:18

1671-251X(2016)06-0012-0510.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.004

崔潔，劉逢雪，臧其亮，等.礦用可穿戴翻折結構半模襯底集成空腔天線設計[J].工礦自動化，2016,42(6)：8-12.