本發(fā)明的技術(shù)方案涉及在絕緣支架上由導(dǎo)電層構(gòu)成的天線，具體地說是一種柔性基底的體表通信天線。

背景技術(shù)：

近年來，隨著無線通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線體域網(wǎng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來，它是以人體為中心，與體內(nèi)的無線傳感器、體表的終端設(shè)備以及體外的無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的整個無線通信系統(tǒng)，在醫(yī)療、軍事、航空航天和通信信息方面得到廣泛應(yīng)用。天線作為無線通信不可缺少的器件，成為無線體域網(wǎng)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵。普通硬質(zhì)基底天線不能發(fā)生形變，而柔性基底天線能夠彎曲和彎折，從而與人體皮膚更緊密的貼合，因此，在保證天線正常通信情況下，研發(fā)以柔性材料為基底的天線具有重要意義。

在申請人檢索到的范圍內(nèi)，以下文獻公開的內(nèi)容與本發(fā)明的技術(shù)方案相關(guān)：

[1]羅志勇，胡俊峰，張彬等人在《基于枝節(jié)諧振器的體域網(wǎng)超寬帶陷波天線優(yōu)化設(shè)計》(參見《重慶大學學報：自然科學版，2015年2月》)一文中，設(shè)計了一款用于體域網(wǎng)的超寬帶陷波天線，1.5mm厚的FR4介質(zhì)作為天線基底材料，測試了天線的回波損耗以及方向圖等參數(shù)，性能良好，但是僅將天線放在模擬皮膚表面進行了仿真分析，并沒有放在人體表面進行測試，可能是由于FR4基底的硬質(zhì)天線不能與人體皮膚緊密貼合的原因。

[2]Nacer Chahat等在《Wearable Endfire Textile Antenna for On-Body Communications at 60GHz》(參見《Antennas and Wireless Propagation Letters》，2012年7月)一文中，設(shè)計了一種可穿戴織物八木天線，目的是將天線縫在衣服上，起到隱蔽作用，雖然以織物為基底的天線能夠發(fā)生形變，但是不能集成到射頻電路中去，并且作者通過測試發(fā)現(xiàn)當天線距離人體5mm時，回波損耗、增益和效率等參數(shù)性能良好，而當天線距離人體0mm時，會出現(xiàn)短路情況，應(yīng)該避免天線嵌入到兩個織物上。

[3]Haider Raad Khaleel在《Design and Fabrication of Compact Inkjet Printed Antennas for Integration Within Flexible and Wearable Electronics》(參見《Transaction on Component,Packaging and Manufacturing Technology》，2014年10月)一文中，利用噴墨印刷技術(shù)制造了一款柔性超寬帶天線，該天線使用柔性Kapton聚酰亞胺薄膜作為基底材料，聚酰亞胺材料在物理、化學以及電性能方面有很好的平衡性，且具有損耗系數(shù)低、薄、抗張強度好等特性，為了測試天線的柔性，將天線進行彎曲測試，結(jié)果表明天線的性能參數(shù)變化不大。但是該天線屬于全向天線，若應(yīng)用在人體表面，其傳輸效率以及增益等性能會大大降低。

[4]N.A.L.Alias,N.A.M.Affendi,Z.Awang等在其《Preliminary Studies on the Use of Natural Rubber in the Design of Flexible Microstrip Antennas》(參見《IEEE International RF and Microwave Conference》，2013年9月)一文中，采用天然橡膠作為天線的基底材料，天然橡膠具有一定的彈性，能夠自由伸縮且在變形后能夠恢復(fù)原狀，又在橡膠中摻雜了不同量的碳，以便增加機械應(yīng)變能力，提高機械性能，通過測量天線特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)以天線橡膠為基底的天線能夠正常工作，但是這種材料應(yīng)用較少，有待探究。

CN105119046A披露了一種緊湊型2.45GHz柔性可穿戴石墨烯天線，其存在基底的厚度大(0.3mm的PET柔性基底或1mm厚的PDMS基底)，只能在單頻帶2.45GHz工作的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種柔性基底的體表通信天線，利用50um厚的柔性基底聚酰亞胺柔性材料作為天線基底，具有了可彎曲的特點，從而達到與人體共形的目的，工作在ISM 2.45GHz和5.8GHz雙頻帶通信頻段，具有單極子輻射模式，能夠在人體體表通信，克服了上述現(xiàn)有技術(shù)天線所存在的不能與人體皮膚緊密貼合，不能集成到射頻電路中、傳輸效率以及增益性低和沿著人體體表通信損耗大的諸多缺陷。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種柔性基底的體表通信天線，是一個凹形輻射貼片天線，主要包括柔性聚酰亞胺的基底和粘貼在整個柔性聚酰亞胺的基底上的銅片貼片，銅片貼片部分包括凹形輻射貼片、帶狀線貼片和兩塊同樣大小的地平面貼片，帶狀線貼片與凹形輻射貼片的下面的長橫線貼片形成整體，帶狀線貼片的長度延至基底的下邊線，地平面貼片的長度也延至基底的下邊線，兩塊同樣大小的地平面貼片分置在帶狀線貼片近旁的兩邊，凹形輻射貼片的中間的短線橫貼片之間留有寬度為1mm的間隙，帶狀線貼片與左右兩塊地平面貼片之間有寬度均為0.15mm間隙。

上述一種柔性基底的體表通信天線，所述天線的尺寸如下：基底的高度為L＝30mm，基底的寬度為W＝25mm，帶狀線貼片的寬度為W₁＝4mm，凹形輻射貼片的下方橫線貼片的內(nèi)寬度為W₂＝15mm，凹形輻射貼片的最上方的左右兩邊的橫線貼片的內(nèi)寬度均為W₃＝3mm，凹形輻射貼片的中部的左右兩邊的橫線貼片的寬度均為W₄＝4mm，地平面貼片的高度為L₁＝7mm，地平面貼片的寬度為W₅＝10.35mm，凹形輻射貼片的左右兩邊的外豎線貼片的外高度為L₂＝13mm，凹形輻射貼片的左右兩邊的外豎線貼片的內(nèi)高度為L₃＝11mm，凹形輻射貼片的左右兩邊的內(nèi)豎線貼片的高度為L₄＝5mm。

上述一種柔性基底的體表通信天線，所述柔性聚酰亞胺的基底的厚度為h＝50um，ε_r＝3.5,tanδ＝0.0027，銅片貼片的厚度為35um。

上述一種柔性基底的體表通信天線，所述天線工作在雙頻段ISM 2.45GHz和ISM 5.8GHz。

上述一種柔性基底的體表通信天線，所述天線的制作方法是，用環(huán)氧樹脂膠粘劑將銅片貼片粘貼在柔性聚酰亞胺的基底上，在用環(huán)氧樹脂膠粘劑將覆蓋膜PI粘貼在銅片貼片上，防止銅片被氧化，其中，銅片貼片的厚度為35um，覆蓋膜PI的厚度為25um，環(huán)氧樹 脂膠粘劑的厚度為20um，天線總厚度0.15mm。

上述一種柔性基底的體表通信天線，所涉及的原材料通過商購獲得，加工方法是本技術(shù)領(lǐng)域能夠掌握的。

上述一種柔性基底的體表通信天線，其使用方法是直接將天線貼在人體皮膚表面，進而通過傳感器和外部電路實現(xiàn)對人體生理信號的實時監(jiān)測，然后將信號傳輸?shù)结t(yī)院或者工作站等地方。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的突出的實質(zhì)性特點如下：

(1)本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的設(shè)計過程是：以聚酰亞胺為基底材料，因為它具有柔性、耐熱性以及承受機械應(yīng)變的能力，以銅為導(dǎo)電材料，利用軟件仿真優(yōu)化天線的尺寸，使天線工作在雙頻段ISM 2.45GHz和ISM 5.8GHz，進而分析該天線的性能參數(shù)，包括回波損耗、方向圖、增益和效率；基于微波技術(shù)與天線理論，驗證天線的尺寸與頻率的關(guān)系，然后加工制作出該柔性天線；通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線的回波損耗參數(shù)，驗證仿真結(jié)果；并對該天線進行柔性測試，分為沿x軸彎曲和沿y軸彎曲兩種情況下的柔性測試，分析天線在彎曲條件下參數(shù)的變化；最后在天線仿真模型基礎(chǔ)上，建立天線在人體上的仿真模型，分析天線與人體之間的相互影響，并將該柔性天線放到人體皮膚表面進行測試。

(2)本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線是雙邊帶天線，是一個凹形輻射貼片天線，由共面波導(dǎo)饋電，即帶狀線貼片和地平面在基底的同一側(cè)，凹形輻射貼片之間留有間隙m，當天線的激勵振子的長度是波長的1/4的整數(shù)倍時，天線發(fā)生諧振。基于微波技術(shù)與天線理論，設(shè)計該天線用到以下的(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)式：

首先，利用公式(Ⅰ)計算介質(zhì)的有效介電常數(shù)。其中h、ε_r、ε_eff、W₁分別為介質(zhì)板的厚度、介質(zhì)相對介電常數(shù)、介質(zhì)有效介電常數(shù)和帶狀線貼片的寬度，我們選擇柔性基底材料是聚酰亞胺，其介電常數(shù)為3.5，厚度為0.05mm，帶狀線貼片的寬度為4mm，利用公式(Ⅰ)，可以得到等效介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε_eff≈3.42。

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{\left(1+12\frac{h}{W_1}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(I\right)$

然后，計算諧振頻率。計算公式(Ⅱ)和(Ⅲ)，其中c為自由空間光速，λ₁和λ₂為電磁波在介質(zhì)中的波長，f₁和f₂為天線的諧振頻率，l為整個凹形輻射貼片的長度，如圖1所示，l＝W₂+2×L₃+2×W₃+2×L₄+2×W₄＝61mm。

$f_1=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·{\mathrm{\λ}}_1}\≈\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·l}\≈\frac{3\×{10}^8}{\sqrt{3.42}\·0.061}\≈2.6\×{10}^{9}Hz---\left(II\right)$

$f_2=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·{\mathrm{\λ}}_2}\≈\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}\·\frac{1}{2.2}\·l}\≈\frac{3\×{10}^8}{\sqrt{3.42}\·\frac{1}{2.2}\·0.061}\≈5.8\×{10}^{9}Hz---\left(III\right)$

最后，比較電流分布圖和計算結(jié)果。從電流分布圖中可以看出，在ISM 2.45GHz處， 凹形輻射貼片的中間的短線橫貼片的兩個地方電流最小，凹形輻射貼片的下方橫線貼片中間有一個電流最小點，所以凹形輻射貼片的長度可以看成近似一個波長，與計算結(jié)果基本吻合；在ISM 5.8GHz處，除了凹形輻射貼片的中間的短線橫貼片末端的兩個地方電流最小之外，在凹形輻射貼片的下方橫線貼片分出現(xiàn)三個電流最小的地方，所以凹形輻射貼片的長度可以看成近似兩個波長，計算結(jié)果是l＝2.2·λ₂，僅僅稍有偏差。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的顯著進步如下：

(1)現(xiàn)有技術(shù)的天線大部分工作在單頻帶ISM 2.45GHz頻段，造成這個頻段越來越擁擠且產(chǎn)生嚴重干擾。本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線工作在雙頻帶ISM 2.45GHz和5.8GHz，ISM 5.8GHz工作頻段是有望代替2.45GHz的通信頻段之一，既能滿足現(xiàn)在通信設(shè)備的無線連接也能使用新頻段的無線連接。

(2)現(xiàn)有技術(shù)的硬質(zhì)天線不能滿足實現(xiàn)體表通信需求，本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線是一款能夠與人體表面貼合的柔性天線。

(3)將本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線放在人體手臂上測試，發(fā)現(xiàn)天線離人體一段距離有較好回波損耗，若緊貼于人體，雖有一定的影響，但是該天線仍能正常工作。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1為本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的正視示意圖。

圖2為本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的側(cè)視示意圖。

圖3為本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的制作方法示意圖。

圖4為本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線仿真的電流分布圖，其中：

圖4(a)是本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線在2.45GHz處的仿真電流分布圖。

圖4(b)是本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線在5.8GHz處的仿真電流分布圖。

圖中，1.基底，2-1.凹形輻射貼片，2-2.帶狀線貼片，2-3.地平面貼片。

具體實施方式

圖1所示實施例表明，本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的結(jié)構(gòu)主要包括柔性聚酰亞胺的基底1和粘貼在整個柔性聚酰亞胺的基底1上的銅片貼片，銅片貼片部分包括凹形輻射貼片2-1、帶狀線貼片2-2和兩塊同樣大小的地平面貼片2-3，帶狀線貼片2-2與凹形輻射貼片2-1的下面的長橫線貼片形成整體，帶狀線貼片2-2的長度延至基底1的下邊線，兩塊同樣大小的地平面貼片2-3分置在帶狀線貼片2-2近旁的兩邊，凹形輻射貼片2-1的中間的短線橫貼片之間留有寬度為m的間隙，帶狀線貼片2-2與左右兩塊地平面貼片2-3之間存有間隙。

圖1中，基底1的高度為L＝30mm，基底1的寬度為W＝25mm，帶狀線貼片2-2的寬度為W₁＝4mm，凹形輻射貼片2-1的下方橫線貼片的內(nèi)寬度為W₂＝15mm，凹形輻射貼片2-1的最上方的左右兩邊的橫線貼片的內(nèi)寬度均為W₃＝3mm，凹形輻射貼片2-1的中部的左右兩邊 的橫線貼片的寬度均為W₄＝4mm，底部貼片2-3的高度為L₁＝7mm，地平面貼片2-3的寬度W₅＝10.35mm，凹形輻射貼片2-1的外豎線貼片的外高度為L₂＝13mm，凹形輻射貼片2-1的外豎線貼片的內(nèi)高度為L₃＝11mm，凹形輻射貼片2-1的內(nèi)豎線貼片的高度為L₄＝5mm，凹形輻射貼片2-1的中間的短線橫貼片之間留有的間隙的寬度為m＝1mm。

圖2所示實施例表明，本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的基底1的厚度為h＝50um，帶狀線貼片2-2與左右兩塊地平面貼片2-3之間的間隙的寬度均為g＝0.15mm。

圖3所示實施例表明，本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的制作方法是，用環(huán)氧樹脂膠粘劑將銅片貼片粘貼在柔性聚酰亞胺的基底1上，在用環(huán)氧樹脂膠粘劑將覆蓋膜PI粘貼在銅片貼片上，防止銅片被氧化，其中，銅片貼片的厚度為35um，覆蓋膜PI的厚度為25um，環(huán)氧樹脂膠粘劑的厚度為20um，天線總厚度0.15mm。

圖4所示實施例顯示本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線的電流分布狀況,其中：

右邊標尺的符號dB(1A/m)，是磁場強度H的單位，變化的電流產(chǎn)生磁場，所以磁場強度的大小能夠反映電流的大小。

圖4(a)顯示本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線在2.45GHz處的仿真電流分布狀況，對比圖中最右邊的標尺中的顏色深淺度，可以看出在2.45GHz處電流主要集中在帶狀線貼片2-2以及凹形輻射貼片2-1的U形部分，即左右外豎線和下方橫線貼片處。

圖4(b)顯示本發(fā)明一種柔性基底的體表通信天線在5.8GHz處的仿真電流分布狀況，對比圖中最右邊的標尺中的顏色深淺度，可以看出在5.8GHz處電流主要集中在帶狀線貼片2-2以及凹形輻射貼片2-1的左右外豎線、左右內(nèi)豎線和最上方的左右兩邊的橫線貼片。

實施例

本實施例的一種柔性基底的體表通信天線，如圖1實施例所示，是一個凹形輻射貼片天線，主要包括柔性聚酰亞胺的基底1和粘貼在整個柔性聚酰亞胺的基底上的銅片貼片，銅片貼片部分包括凹形輻射貼片2-1、帶狀線貼片2-2和兩塊同樣大小的地平面貼片2-3，帶狀線貼片2-2與凹形輻射貼片2-1的下面的長橫線貼片形成整體，帶狀線貼片2-1的長度延至基底1的下邊線，地平面貼片2-3的長度也延至基底1的下邊線，兩塊同樣大小的地平面貼片2-3分置在帶狀線貼片2-2近旁的兩邊，凹形輻射貼片2-1的中間的短線橫貼片之間留有寬度為m＝1mm的間隙，帶狀線貼片2-2與左右兩塊地平面貼片2-3之間有寬度均為g＝0.15mm間隙；基底1的高度為L＝30mm，基底1的寬度為W＝25mm，帶狀線貼片2-2的寬度為W₁＝4mm，凹形輻射貼片2-1的下方橫線貼片的內(nèi)寬度為W₂＝15mm，凹形輻射貼片2-1的最上方的左右兩邊的橫線貼片的內(nèi)寬度均為W₃＝3mm，凹形輻射貼片2-1的中部的左右兩邊的橫線貼片的寬度均為W₄＝4mm，地平面貼片2-3的高度為L₁＝7mm，地平面貼片2-3的寬度為W₅＝10.35mm，凹形輻射貼片2-1的左右兩邊的外豎線貼片的外高度為L₂＝13mm，凹形輻射貼片2-1的左右兩邊的外豎線貼片的內(nèi)高度為L₃＝11mm，凹形輻射貼片2-1的左右兩邊的內(nèi)豎線貼片的高度為L₄＝5mm；本實施例天線加工后的總厚度為0.15mm，所述柔性聚酰亞胺的基底1的厚度為h＝50um，ε_r＝3.5,tanδ＝0.0027，銅片貼片的厚度為35um。

本實施例的一種柔性基底的體表通信天線，其工作在雙頻段ISM 2.45GHz和ISM 5.8GHz。

本實施例的一種柔性基底的體表通信天線，其制作方法是，用環(huán)氧樹脂膠粘劑將銅片貼片粘貼在柔性聚酰亞胺的基底1上，在用環(huán)氧樹脂膠粘劑將覆蓋膜PI粘貼在銅片貼片上，防止銅片被氧化，其中，銅片貼片的厚度為35um，覆蓋膜PI的厚度為25um，環(huán)氧樹脂膠粘劑的厚度為20um，天線總厚度0.15mm。

本實施例的一種柔性基底的體表通信天線，其使用方法是直接將天線貼在人體皮膚表面，進而通過傳感器和外部電路實現(xiàn)對人體生理信號的實時監(jiān)測，然后將信號傳輸?shù)结t(yī)院或者工作站等地方。

本實施例的一種柔性基底的體表通信天線，所涉及的原材料通過商購獲得，加工方法是本技術(shù)領(lǐng)域能夠掌握的。