一、转向耦合器设计与实现

转向耦合器广泛应用于微波电路。为了提高转向耦合器的隔离度，设计了两款新型的周期性负载转向耦合器。一种是在四个端口馈线处进行开槽的转向耦合器。根据奇偶模分析法，可以确定转向耦合器的奇模阻抗和偶模阻抗。开槽转向耦合器结构如图1所示，实物图与测试结果如图2、图3所示。

图1  开槽式转向耦合器结构图

 

图2  开槽式转向耦合器实物图

 

图3 开槽式转向耦合器隔离度测量结果与仿真结果

为了进一步提高转向耦合器的隔离度，又设计了一款具有倒F枝节的周期性负载转向耦合器。在传统转向耦合器耦合端口添加倒F枝节，人为引入端口阻抗失配，结构如图4所示。采用覆铜金属接地板，接地板与介质基板等宽度。介质基板为FR4（环氧树脂），相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，基板厚度为1.52mm。在耦合器的耦合端添加开路枝节和短路枝节，组成倒F形状的枝节。其它端口采用匹配负载，输入阻抗为50Ω。转向耦合器实物图与测试结果如图5、图6所示。

图4具有倒F枝节耦合器结构图

图5 具有倒F枝节的转向耦合器实物图

图6 转向耦合器的耦合度仿真与实测结果

 

本项目所设计的两款新型转向耦合器，保持了转向耦合器的平面性、低交叉性和低寄生性等特点，并使转向耦合器具有较高的隔离度，适用于各种有高隔离度和高方向性要求的微波系统。

 

二、可穿戴天线研究

基于柔性材料的可穿戴天线在体域网领域有广泛应用前景。本项目研究了几种新颖的可穿戴天线，分析了其性能参数。

应用于ISM频段2.45GHz的、基于聚酰亚胺柔性介质基板的共面波导馈电的T型可穿戴天线结构如图7所示，天线总尺寸为L=30mm，W=28mm。天线实物如图8所示。

图7基于聚酰亚胺柔性基板的T型天线结构图

 

图8 基于聚酰亚胺柔性基板的T型天线实物图

 

改变天线与人体之间的距离h，获得的天线回波损耗变化情况如图9所示。当天线距离人体较近时，中心频率会有略微的偏移，但从整体上仍可以满足可穿戴天线的工程要求。

图9天线距离人体不同h值时T型天线回波损耗

如图10所示，将天线附着于一个半径为30mm的圆柱上，分别在X轴和Y轴方向上进行弯曲，实际测得的天线回波损耗变化情况如图11所示。相较于天线平坦的情况，天线在弯曲时中心频率会有略微的向高频或者低频偏移，回波损耗也略有提高，但是仍保持有较高的辐射效率，因此，该天线在弯曲的情况下可以满足正常的工作性能，适合可穿戴。

 

 

                         (a) X轴         (b) Y轴

图10  T型天线沿不同方向弯曲

  

图11  T型天线在平坦时和沿不同方向弯曲的回波损耗

 

天线在手腕和胸部两个不同穿戴位置，天线的回波损耗测试结果如图12所示。天线放置于人体手腕和胸部时，天线的中心频率都略微的增大，回波损耗也有不同程度的升高。当天线置于手腕时，天线的中心频率偏移程度小于在胸部放置，且回波损耗值更优，因此人体手腕对天线的性能影响较小。从整体上讲，天线放置于两个不同位置时，-10dB的频带范围均覆盖ISM频段，且有较高的辐射效率，均能满足工程需要。

图12  T型天线在人体不同部位回波损耗随测量值

 

课题设计的另一款基于TLX-6材料的、半圆弧型可穿戴柔性天线，结构如图13所示。TLX-6材料介电常数范围为2.45〜2.65，具有优良易控的电气和机械性能，能够适应弯曲挤压等物理形变。天线采用阶梯结构和圆弧轮廓，有效增加了工作带宽。此外，共面波导的馈电方式以及0.2mm的横向剖面，使得它可以完美与人体贴合。天线参数曲线如图14所示。该可穿戴柔性天线适用于人体中心网络应用。

 

图13 半圆弧型天线实物

图14 半圆弧型天线参数曲线