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织物电磁特性及纺织天线的研究

周祥  
【摘要】: 人体无线通信网络是未来无线通信的一个重要发展方向,它是指利用可穿戴或可植入传感器组成的人体本身或人与人之间的网络,利用织物来制作器件、天线是实现人体无线通信的一种手段,因此研究织物的电磁特性以及纺织天线具有十分重要的现实意义。利用新型织物材料织就的可穿戴天线具有柔软、轻便和易共形等优点,在民用、军事上有着广阔的应用前景。 本文在研究织物的电磁特性的基础上,以矩形贴片天线为载体分析织物的编制方法,并以最优材料和结构来设计矩形微带纺织贴片天线、RFID纺织标签天线和数字电视纺织天线,最后通过实验分析纺织天线在复杂环境下的变化,整个过程采用仿真分析和实验分析相结合的方法开展研究。本文分为以下四个部分: 首先,为了熟悉电磁仿真软件的原理与方法,利用ADS软件分析优化得到一款微型宽带阻抗变换器,同时,深入了解ADS软件的设计过程、优化方法和计算原理,为后期纺织天线的仿真做出了充分准备。 其次,将涤纶和金属纤维结合织成不同宽度的组织,通过测试叠加而成各种网状结构的情况,分析了金属织物对电磁波的屏蔽效果,利用带状线测试夹具测得织物的相位特性参数,由微带线理论推导得到计算公式,通过反演计算的方法得到了织物的有效介电常数。 接着,分析了导电纤维的种类和特点,在此前研究织物电磁特性的基础上,对矩形微带贴片天线进行了电磁仿真分析,并从导电纤维的不同原料、粗细、编织密度及组织结构这些角度制作了各类矩形纺织天线,通过比较分析得到最优材料和结构,从而探索了织物的编织方法,最后得到的贴片天线结构稳定,性能良好,与仿真结果比较吻合,验证了用织物制作天线的可行性。 最后,基于前面的理论,分析并制作了RFID纺织标签天线和数字电视纺织天线,这两款天线主要是尺寸大小和天线带宽的差异,通过比较分析得出了一些用织物制作天线的有益经验和结论;同时,考虑到天线的柔软性、空气含量和湿度这些因素对天线性能的影响,对纺织天线在复杂环境下的情况也做出了模拟分析,这些复杂环境改变都会引起天线的频偏和其它性能的不稳定,为此提出了纺织天线一体化设计的理念,解决以上因素对天线性能影响过大的问题,增加了纺织天线性能的可靠性,为纺织天线的研究分析提出了一个新的可行方案。


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