英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

超小型化的超材料基片集成波导纺织天线的离体应用

摘要： 这篇文章介绍一个频率为2.45GHz的新型小型化背腔基片集成波导纺织天线离体在工业、科学和医学辐射范围的离体应用。相比以前的作品，超材料槽的使用减少天线尺寸的80%，并且辐射方向图是较宽的一面对着标准方向。在真空中和人体的仿真和测量结果被呈现出来，并且标准模型和曲线模型都显示了阻抗匹配得很好。测量得这种结构的增益和效率分别是5.35dB和74.3%，并且使用皮肤等价体膜来测量天线对人体的影响。在人体模型中，超过10g组织，500mW的输入功率，最大数值模拟计算平均吸收率是0.38W/kg，这小于欧洲的标准2W/Kg。天线的设计和配置结构使离体应用成为一个合适的选择。

索引词：背腔基片集成波导，小型化，离体应用，纺织天线

1.介绍

与无线系统的先进性相协调，纺织天线正在被发展，因为其价格低，质量轻，容易制备，易集成到商业衣服产品中。可穿戴的纺织天线被用于无线体域网，有许多应用，包括紧急抢救服务，健康监测和物理训练。天线由非导电性的织物做基板，例如毛毡、皮革、或者蚕丝，并且由导电的织物作为地或辐射单元。毛毡因其小的介电常数常被用作天线基板，要求天线要有高效的辐射性能。

既然织物天线被用在衣服上，就要将背部辐射的大小考虑为设计要求的一部分。一个大地板可以屏蔽辐射，确定人体对辐射有一个低的吸收率（SAR）。

基片集成波导（SIW）天线的侧壁有金属过孔，能包围住电磁能量。因此，相比有着更大地板和更小尺寸的贴片天线，这种天线大大地减少了不必要的功率耦合。另外，这种天线提供良好的阻抗匹配，容易制备，容易集成到其他平面电路中。要注意的是，具有微波传输带馈送结构的基片集成波导天线，从输入传输线到波导可能会存在不必要的辐射耦合，这会导致不必要的功率耦合。即使这样，基片集成波导天线内的不必要的功率耦合的量级也远小于典型的贴片天线.

在雷达系统和通信系统中，背腔缝隙天线（CBSAs）适宜被用作散热装置。然而，常规的背腔缝隙天线结构大，不能和其他平面装置集成到一起。因此，提出了基于SIW的背腔结构，因为其轮廓结构小，插入损耗低，制备方法简单，平面结构，和相对高的隔离性。

最近几年，这些优点已经成为几个关于背腔SIW纺织天线的研究的关注点。文献【7】介绍了带有一个环形槽的SIW背腔纺织天线；文献【8】详述了一种使用SIW技术的带有集成双频带纺织天线的太阳能收集器；并且为了双频带MIMO应用，文献【9】提出了SIW纺织天线；在文献【10】中，提出了一个皮革基底的SIW三频段纺织天线；文献【11】中提出了一个使用SIW技术的可穿戴的纺织天线。

由于CBSAs体积大，在新的无线通信应用中经常提出小的天线，使尺寸小型化技术的使用成为必要。一种小型化技术通过利用负阶共振来刺激腔将会减小天线的工作频率【12】；在文献【13】中，通过SIW背腔缝隙天线里的槽实现了负一阶共振。

总的来说，以前提到的天线尺寸大。为了解决这个问题，在这篇文章中，我们提出一种超材料槽技术来设计一个新型超小型背腔SIW纺织天线用于离体应用，采用的是2.45GHz的可以散热的斜坡槽。在这个结构中，完整地板的使用增加了天线和人体之间的隔离，从而导致了低SAR值和良好的辐射性能。羊毛毡有电介质性能的材料，其，被用作基底，其介质。提出的天线是在CST Microwave Studio2017（CST MWS）中被设计的和仿真。随后天线的原型被制备和评估，并且测量出了其在真空和人体两种情况下的反射系数和方向图。仿真和测量结果具有高度一致性。计算反射系数时考虑天线弯曲的影响。测量出在真空中和人体增益分别为5.28和5.35dB，效率为73%和74.3%。在工业、科学和医疗无线电范围，此天线比其他SIW纺织天线的80%小。

2.天线设计

A.SIW背腔设计

为了减小由于邻近过孔产生的泄露，满足和很重要。这里d是过孔的直径，s是邻近过孔之间的距离。是导波长。为了计算SIW洞的尺寸要求激发主模 ，尺寸取决于以下关系：

（1）

（2）

（3）

这里c为m/s,是真空中光的速度。和分别是基质的相对介电常数和相对磁导率。L是腔的长度，值应该是，。W是腔的宽度，和是SIW腔的等效尺寸。

B．小型化过程

设计和制备出了带有负阶共振的SIW槽天线被。为了促进小型化，设计的天线的工作频率低于原始波导的截止频率。复合左右手（CRLH）传输线支持左手（负序），右手（传统的）或者零阶共振【15】，哪种取决于初始相位。在这个设计中，设计出的SIW腔有负一阶共振，是使用了一个复合左右手共振腔实施的。为了创造一个负介电常数并且提供一个并联电感，将过孔建造成墙。斜坡形状的指状组合槽使负的磁导率成为可能，其功能类似一个串联电容【13】。斜坡槽的角和指的数目提供一个串联电容。结果，频率被抑制到负一阶共振频率，并且与在工作频段内有相同的尺寸。基于这个设计，最后天线被小型化了。

C．天线优化

既然天线要工作在2.45GHz，选择的基质是厚度为3mm的羊毛毡，电介质介电常数，损切角。羊毛的电磁特性使用著名尼克森-罗斯-威尔方法测量。顶层和底层由导电性的纺织品构成，厚度为0.17mm,表面阻抗。制备使用内径为2.5mm，凸缘直径为5.08mm的黄铜金属过孔。为了确定更多准确的数据，过孔的两个直径在仿真中都要应用。二氧化碳激光器被用于切割用作顶层，地板和基质的织物。同轴适配器和胡贝尔-舒娜连接器被应用到天线。图1显示了天线的几何结构，表I总结了优化

图1 该天线的结构

表1 该天线的尺寸(mm)：

16.1	9.05	2.15	5.15	66	17.25

图2. 天线的图片（a）顶层和（b）底层

以后的最终尺寸。天线设计用CST MWS仿真【18】。通过激发负一阶共振频率，天线频率可以通过调整指状斜坡槽的数目控制【13】。测试之后，当N=13，时，提供了最好的结果。

3.仿真和制备结果

图2显示了天线原型的照片，尺寸是。如果代表2.45GHz频率在自由空间的波长，那么等价尺寸为。导致此设计的结果是以前作品的80%。

皮肤的等效体模的尺寸是，使用了去离子水，食盐，糖，

图3 用于测量虚介电常数的测量装置。

图4 该天线的S参数

图5 该天线的测量装置（a）网络分析仪测 （b）在微波暗室测辐射方向图

图6 2.45GHz时的标准化的辐射模式[dBi]（a）在E平面（b）在H平面。

说明如下：仿真同极化（蓝色实线），测量同极化（红虚线）模拟X极化（粉红色虚线）、测量X偏振（黄色实线）、并在身体上测量（绿虚线）。

酒精，并且经常特征化天线对人体的影响，体模尺寸的参数使用图3中设备和美国安捷伦公司85070E探针测量，发现在2.45GHz时，和。天线和体模的距离在仿真和实际测量时都是5mm。图4显示了仿真的反射系数，还有该天线在无回声的屏蔽室的测量结果。测量的实施使用图5展示的装备，包括美国安捷伦公司的E5071C矢量网络分析仪。结果显示仿真和实际测量具有很高的一致性。图4显示一个3cm曲线天线的参数。要注意的是，在人体和真空测量结果有不同，因为人体有高的介电常数和传导率并且吸收了天线发出的一些辐射。

图1显示天线方向的在天线E面和H面的同向极化和交叉极化仿真和测量的宽侧辐射方向图如图6。另外，测量了在人体上的同向极化辐射方向图。对本文提出的天线，发现在频率为2.45GHz时，仿真和测量各自实现的增益是5.42和5.35dBi。2.45GHz时，人体上的仿真和测量总效率分别是76%和74.3%。

吸收率（SAR）被定义为每单位质量织体吸收的功率。

（W/kg）

这里是质量密度，W是人体组织吸收的能量，V是样本的体积。使用CST MWS计算出离天线位置5mm的雨果人体模型的大腿，上臂，胸部的SAR的数值解。基于IEEE C95.3标准的组织，平均超过10g组织，0.5W的输入功率，对应大腿、上胳膊和胸部计算的SAR的最大值分别是0.297,0.358,0.380W/kg。这所有的数值都小于欧洲的标准2W/Kg。仿真的SAR在图7中说明。

图7 在雨果人体模型模拟的SAR分布：（a）大腿（b）上臂和（c）胸部

表2 文献中相关著作的比较

	无线类型	中心频率（GHz）	小型化（%）	增益（dBi）	效率（%）	尺寸
【7】	纺织SIW背腔圆环型槽天线	5.8	0	3.12	37.7
【11】	纺织SIW背腔天线	2.45	6.16	4.90	60
【22】	纺织贴片天线	2.4	46.89	3.38	-
这篇文章	基于负阶共振纺织SIW背腔	2.45	79.74	5.35	74.3

该超小型基片集成波导背腔纺织天线和那些以前的作品的技术参数比较可以在表2中看到。像表中显示的一样，很明显，在比较的天线之中，该设计是最小的纺织天线。此外，它显示了辐射性能，增益，和效率上的进步。

4.总结

在这篇文章中，提出了用于离体应用的超小型超材料SIW纺织天线。天线的制备使用纺织材料，包括传导性的织物和羊毛毡两层，因此具有柔韧性和可穿戴的特点。发现制备的天线是相似作品的80%小。观察到仿真和测量结果有很好的一致性。天线显示5.35dBi的增益，74.3%的效率，平均超过10g的组织SAR为0.38mW/g。因此可穿戴应用是合适的。

复合左右手基片集成波导漏波天线

摘要：这篇文章调查并提出了基于复

全文共8239字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[10056]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word