基于铁电薄膜的可调谐柔性天线设计

The antenna, weaved by the new fabric materials, is a new kind of antenna, which can be integrated into daily clothes, and there will be broad application prospects in the aspects of military and civilian communication system..In order to improve the utilization of the spectrum resources of textile antennas, the project focused on use the good high-frequency performance of reflection-type phase shifter to improve the antenna tuning and control the direction of the main lobe. Discuss the design project based on the Barium Strontium Titanate (BST) film varactors and periodical loading tuned directional coupler technology. The reflection-type phase shifter technology with the structure of couplers loaded BST varactors will be developed. Research on electromagnetic properties of the human tissues and several different textile material of outdoor clothing. Develop the novel wearable antennas which are suitable for outdoor jobs. Design novel ISM tunable textile antennas based on ferroelectric materials, whose frequency shift is not less than 150MHz, and the scan range of the main beam can reach ±45°at the center frequency point..This project provides a new research direction for novel flexible antenna design. This is significance for the development of the human body communication system.

柔性天线是以集成到人们日常衣物为目标的新型天线，在军用和民用人体通信系统中有广泛应用前景。.针对目前柔性天线频谱利用率低的主要问题，本项目将高频特性优良的铁电薄膜移相器用于柔性天线设计，以改善天线调谐性及波束方向控制。研究铁电材料钛酸锶钡（BST）薄膜变容器设计方案及周期性负载转向耦合器技术；利用耦合器加载变容器实现反射式移相器设计；对人体组织电磁特性进行建模，研究几种不同户外服装纺织材料电磁特性和适用于户外工作服的柔性天线结构；最终设计出集成于织物上的基于BST薄膜的可调谐柔性天线，工作于ISM频段，频移不小于150MHz，中心频点处主波束±45°的扫描范围。.本项目研究成果能为新型柔性天线研究提供新的理论和方向，对人体通信系统的发展具有重要意义。

柔性天线有着广泛的应用前景，研究高性能的可穿戴柔性天线很有意义。.本项目采用RF溅镀技术沉积了钛酸锶钡薄膜（BST），研究了沉积氧压、基片温度、功率等对BST沉积速率的影响。制备了金属-BST-金属和金属-BST-ITO两种结构的变容器。研究了不同结构参数对移相器回波损耗、插入损耗和相移度等性能指标的影响。设计了一款加载双周期叉指电容结构的BST薄膜移相器。研究了以PIN二极管为控制开关的S波段数字可调谐移相器。在ISM波段，实现了200MHz 可调谐的45°移相单元的小型化设计，进行了实物制作和验证。将加载双周期叉指电容结构的BST薄膜可调谐移相器，应用于1×4扇形天线阵列。仿真实现了不同的偏置电压下天线阵的主波束方向±22°的偏转。.设计了周期性负载耦合线结构的转向耦合器（TRD）。通过调整周期负载耦合线的周期和负载阻抗，克服了奇-偶模阻抗和相位速率这两个条件很难同时满足的问题。对所设计的耦合器进行了实物制作与测量，验证了设计方案的有效性。.探索了人体组织电磁特性和天线辐射量标准，总结了可穿戴天线设计中常用的介质基板材料和辐射贴片材料。研究了天线结构以及介质基板材料对于柔性天线性能的影响。通过人体组织模型，研究了人体与天线在不同距离时对天线的影响。天线放置在身体不同位置会有不同的回波损耗，性能会有所差异。同时天线放置时弯曲方向不同，也会对天线性能产生较大影响。研究结果表明：通过增加天线的辐射带宽和采用适宜的柔性材料，可以减小形变带来的影响。天线在手臂上与人体共形时，天线性能受到的影响较小，舒适度较高。.设计并实现了多款基于柔性材料的不同结构的可穿戴天线。研究了分形天线的小型化技术。研究表明，加入了科赫分形结构后，天线的尺寸大大减小。此外还对用于可穿戴天线设计的超材料设计、阵列天线波达方向信号处理算法、可穿戴设备信号检测伪影处理方法、卷积神经网络应用等相关技术开展了研究，为今后的进一步研究工作奠定了基础。