关键词：
北斗卫星导航系统
织物天线
织物结构
弯曲形变
摘要：
随着北斗卫星导航系统的不断发展,用户对终端设备的需求也越来越广泛。天线是导航系统用来接收信号的重要组成部分,近年来对微带天线的研究也日益增多。同时可穿戴设备的普及,如智能手环、智能手表、智能服装等,对可穿戴天线的性能及其与智能可穿戴设备的结合提出了更高的要求。现阶段相关研究多集中于传统硬质天线的设计和性能优化,在可穿戴设备中存在佩戴舒适性差、易损坏、难以与人体共形等问题,未考虑到天线在人体穿戴时必要的舒适性好、质量轻、易与人体共形等需求。所以对天线织物化后的研究成了必然的趋势,不仅为可穿戴设备提供了更先进的通信解决方案,还可以通过优化可穿戴织物天线的设计,提高设备的通信质量和可靠性,使用户在使用可穿戴设备时能够获得更好的体验。
针对现有面向北斗卫星导航系统的天线存在柔软性差、无法与人体良好共形等问题,本课题基于微带贴片天线设计原理,优化设计了一款工作频率为1.37 GHz的天线结构,开发该天线结构的上机工艺,完成天线基板及贴片的织造,同时考虑到织物结构会影响织物天线的性能,研究了不同织物纬密、不同纱线细度对天线性能的影响,进一步针对织物天线在穿戴时发生的弯曲形变和人体效应,将讨论弯曲形变、人体对天线性能的影响。具体研究内容及结论如下:
（1）基于电磁场有限元算法与积分方程理论,研究微带贴片天线各部分结构尺寸对天线性能的影响,并设计天线结构,确定了天线性能与天线结构的关系。
根据现有的微带贴片天线设计原理,计算得到天线各部分结构尺寸,在仿真软件中建立微带贴片天线的几何模型,以回波损耗(S11)、谐振点（Freq）、增益（Gain）为指标进行仿真模拟,探究天线的贴片尺寸、1/4波长转换器尺寸、馈线尺寸和基板厚度对天线性能的影响。仿真实验结果显示:天线的谐振点与贴片尺寸、基板厚度、1/4波长转换器尺寸存在显著相关性,天线的增益与贴片尺寸、基板厚度存在显著相关系,贴片尺寸不同的天线需要调整馈线和1/4波长转换器的尺寸来实现输入阻抗和特性阻抗的匹配,达到天线的最佳性能。以此结论优化初始天线结构,最终天线尺寸缩小了46.29%,带宽为40 MHz,谐振点处的回波损耗为-25.45 d B,增益为5.45 d B。结果表明,探究得到的天线结构实现了天线小型化的同时满足设计性能需求,对北斗频段的天线设计提供了新思路。
（2）根据优化设计得到的天线模型,通过机织工艺制备织物天线,研究工艺中织物纬密和所用纱线细度对天线性能的影响,讨论阐明了天线谐振点、回波损耗与纬密、纱线细度的关系。
结合机织工艺原理和天线结构,设计织物天线的上机工艺,选用不同细度的涤纶纱作为不导电纱,镀银纱作为导电纱,完成不同织物天线贴片和基底的一体化织造,最后层合导电布作为天线地板完成织物天线的样品制备。由于织物结构与仿真结构的差异、导电纱线的损耗等因素引起的系统误差和焊接工艺不稳定导致天线回波损耗曲线向下偏移。为提高机织工艺制备织物天线的适应性和通用性,本课题通过改变织物纬密和纱线的细度,制备了不同参数结构的样品,探究织物纬密和基板纱线细度对天线性能的影响。通过矢量网络分析仪对天线样品进行实测,结果表明:天线的谐振频率为1.37 GHz,回波损耗峰值为-26.33 d B,与仿真结果有一定的偏差,但仍然满足天线工作的基本需求。通过单因素实验和统计分析证明了在一定范围内天线谐振点与织物纬密、基板纱线细度成显著正相关关系,即增大织物纬密、基板纱线细度会使织物天线的谐振点向高频偏移。
（3）根据天线在人体上的不同穿戴方式和位置,通过仿真和实测的方式,研究弯曲形变和人体组织对天线性能的影响,明确其影响机理,证明所设计天线的应用可行性。
在实际应用场景中,要求天线在动态弯曲形变和人体复杂环境下仍能保持稳定性能。然而,传统天线设计理论多基于刚性结构及自由空间假设,忽视了可穿戴场景中机械形变与人体组织对天线电磁特性的显著影响。因此,本章选择工作频率为1.37 GHz的织物天线样品进行弯曲形变和人体组织环境下的仿真模拟和对比测试,根据人体不同部位的曲率设定弯曲半径,根据1.37 GHz时人体皮肤、肌肉和脂肪的电参数建立人体组织模型,考虑人体穿戴时服装厚度和特殊情况设定天线与人体组织之间的不同距离。研究发现,弯曲会使织物天线受到拉伸挤压作用,有效电长度和边缘场发生改变,导致天线性能产生波动,天线谐振点最大偏移为2.92%,回波损耗最大上升23.89%,但总体仍然满足设计要求,证明本课题所设计的织物贴片天线在依照人体不同部位曲率产生弯曲时仍能保持相对稳定的接收信号能力。天线比吸收率（Specific Absorption Rate,SAR）仿真结果表明,当天线与人体距离1 mm时,比吸收率最大,为1.37 W/Kg,在业界规定的安全范围内。在人体组织环境下实测结果表明,天线受人体
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