（通信与信息系统专业论文）织物电磁特性及纺织天线的研究.pdf

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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r f i d 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 织物电磁特性及纺织天线的研究 为此提出了纺织天线一体化设计的理 ，增加了纺织天线性能的可靠性，为纺 真软件。 作者：周祥 指导老师：刘学观 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ne l e c t r o m a g n e t i cch a r a c t e r i s t i co f f a b r i c sa n dt e x t i l ea n t e n n a s a b s t r a c t t h eb o d y - c e n t r i cw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o n f o rt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e ，w h i c hc o n s i s t so fw e a r a b l e o ri m p l a n t a b l es e n s o r s t e x t i l ea n t e n n ai so n ew a yt or e a l i z et h eb o d y - c e n t r i cw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so ff a b r i ca n dt e x t i l e a n t e n n ai so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ea n t e n n a ，w e a v e db yt h en e wf a b r i cm a t e r i a l s ， h a sa d v a n t a g e so fs o f t ，l i g h ta n de a s yt ob es h a p e d ，s ot h e r ew i l lb eb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nt h ea s p e c t so fc i v i l i a na n dm i l i t a r y s t a r t i n gw i t ht h er e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ef a b r i c ，t h i st h e s i s a n a l y z e st h ew e a v i n gm e t h o do ft h ef a b r i cw i t ht h ec a r r i e ro fr e c t a n g u l a rp a t c ha n t e n n a , a n dt h e nd e s i g n sm i c r o s t r i pp a t c ht e x t i l ea n t e n n a ，r f i dt a gt e x t i l ea n t e n n aa n dd i g i t a lt v t e x t i l ea n t e n n aw i t ht h em o s ts u i t a b l em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s f i n a l l y , c h a n g e so ft h e t e x t i l ea n t e n n aa r ea n a l y z e di nac o m p l e xe n v i r o n m e n tt h r o u g he x p e r i m e n t s ；t h ew h o l e r e s e a r c hp r o c e s si sc o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s t h i sp a p e ri n c l u d e st h e f o l l o w i n gf o u rp a r t s ： f i r s t l y , i no r d e rt ob ef a m i l i a rw i t ht h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o re l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，am i n i a t u r eb r o a d b a n di m p e d a n c et r a n s f o r m e ri so b t a i n e dt h r o u g h a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nw i t ht h eh e l po fa d ss o f t w a r e ，a n dt h ed e s i g np r o c e s so ft h e a d ss o f t w a r e ，o p t i m i z a t i o nm e t h o d sa n dc a l c u l a t i o np r i n c i p l ea r ei n - d e p t hu n d e r s t o o dt o p r e p a r ef o rt h es i m u l a t i o no ft e x t i l ea n t e n n ai nt h el a t e rp e r i o d s e c o n d l y , f a b r i co fd i f f e r e n tw i d t h sa r ew e a v e du s i n gt h em a t e r i a l so fp o l y e s t e ra n d m e t a lf i b e r s ，a n dt h es h i e l d i n ge f f e c to fm e t a lf a b r i ci sa n a l y z e db yt e s t i n gd i f f e r e n t c o n d i t i o n so fo v e r l a p p i n gf a b r i ct on e t w o r ks t r u c t u r e m e a n w h i l e ，p h a s ep a r a m e t e r so ft h e f a b r i ca r eo b t a i n e db yu s i n gs t r i p l i n et e s tf i x t u r e ，t h er e l a t e df o r m u l ad e r i v e df r o mt h e t h e o r yo fm i c r o s t r i pl i n e s ，a n dt h ee f f e c t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n to f t h ef a b r i ci sa c q u i r e dw i t h i n v e r s i o nc a l c u l a t i o n t h i r d l y , 0 1 1t h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c ho ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t 舐s t i c so f t h ef a b r i c ，t h et h e s i sa n a l y z e st h et y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o n d u c t i v ef i b e r s ，a n d a b s t r a c t 一t h e r e s e a r c h o n e 1 e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c o f f a b r i c s a n d t e x t i 1 e a n t e n n a s 一 - _ _ - _ _ - i _ i _ - _ _ _ - _ l _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ - - - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ - _ _ i - _ 一一 c o n d u c t st h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o rt h er e c t a n g u l a rm i c r o s t r i pp a t c h a n t e n n a ，t h e np r o d u c e sav a r i e t yo fr e c t a n g u l a rt e x t i l ea n t e n n a ，t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e s i nt h ec o n d u c t i v ef i b e rm a t e r i a l ，t h i c k n e s s ，w e a v ed e n s i t ya n ds t r u c t u r e ，t oe x p l o r et h eb e s t w a yt ow e a v et h ef a b r i c a n dt h e n t h eo p t i m a lm a t e r i a la n ds 仃u c m r ea r eg a i n e db y c o m p a r i s o na n da n a l y s i s t h ep a t c ha n t e n n ad e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sa s t a b l es t r u c t u r e ， g o o dp e r f o r m a n c ea n d a c h i e v e st h ed e s i r e df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s i tp r o v e st h e f e a s i b i l i t yt om a k ea n t e n n a sw i t hf a b r i c f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u st h e o r y , t h er f dt a ga n t e n n aa n dd i g i t a l iv t e x t i l e a n t e n n aa r ed e s i g n e d ；t h e r ea r et h ed i f f e r e n c e so fs i z ea n db a n d w i d t hb e t w e e nt h et w o a n t e n n a s a n ds o m eu s e f u le x p e r i e n c ea n dc o n c l u s i o n sa r ed r a w nb yc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tm e t h o d so fm a k i n ga n t e n n aw i t hf a b r i c m e a n w h i l e ，t a k i n gi n t o a c c o u n tt h ei m p a c to fs o m ef a c t o r so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h et e x t i l ea n t e n n a , s u c ha s f l e x i b i l i t yo ft h ef a b r i c ，c o n t e n ta n dh u m i d i t yo fa i r , t h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft e x t i l e a n t e n n ai nac o m p l e xe n v i r o n m e n ti sa l s oa c c o m p l i s h e d ，f r e q u e n c yo f f s e ta n do t h e r p r o p e r t i e so fu n s t a b l ea r ef o u n dw h e na n yo ft h e s e f a c t o r si sc h a n g e d t h e r e f o r e ，t h e c o n c e p to fi n t e g r a t e dd e s i g ni sp r o p o s e dt or e d u c et h e s ef a c t o r s i m p a c to n t h ep e r f o r m a n c e o fa n t e n n aa n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ea n t e n n ai si m p r o v e d ，s oi tb r i n g san e wf e a s i b l em e t h o d f o rd e s i g n i n gt e x t i l ea n t e n n a k e y w o r d s ：t e x t i l ea n t e n n a ， f a b r i c ，e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c ， e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o ns o f t w a r e i v w r i t t e nb yz h o ux i a n g s u p e r v i s e db yl i ux u e g u a n 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 织物电磁特性及纺织天线的研究现状。3 1 3 高频电磁仿真软件和测试设备介绍。4 1 4 本文主要工作及论文结构。6 第二章电磁仿真方法的研究实践7 2 1 阻抗变换器理论。7 2 2 耦合线阻抗变换器的分析研究9 2 2 1 微带耦合线理论9 2 2 2 原型单元结构分析比较1 0 2 3 微型宽带阻抗变换器的设计与实现1 l 2 4 本章小结1 3 第三章织物电磁特性的研究与分析1 4 3 1 织物电磁特性概述1 4 3 2 织物电磁特性的研究分析1 5 3 2 1 织物屏蔽作用的研究1 5 3 2 1 1 屏蔽织物结构设计1 5 3 2 1 2 织物屏蔽性能测试方法1 7 3 2 1 3 测试与分析1 8 3 2 2 织物介电常数的测量计算2 0 3 2 2 1 理论基础2 0 3 2 2 2 测量方法2 1 3 2 2 3 测试与分析2 2 3 3 本章小结2 3 第四章织物编织方法的设计与分析2 4 4 1 织物编织材料与结构的分析2 4 4 1 1 导电纤维概述2 4 4 1 2 织物编织结构的探索与分析2 5 4 2 设计分析基础矩形贴片天线2 7 4 2 1 微带贴片天线理论2 7 4 2 2 矩形微带贴片天线的分析。2 9 4 2 3 矩形微带贴片天线的仿真。3 2 4 3 织物编织方法的比较3 6 4 3 1 导电纤维原料3 6 4 3 2 导电纤维粗细3 7 4 3 3 织物编织密度3 8 4 3 4 织物编织组织3 9 4 3 5 最优材料和结构下的贴片天线4 0 4 4 本章小结4 2 第五章纺织天线的设计与分析4 3 5 1 纺织天线的基本理论4 3 5 2 纺织天线设计方案一偶极子r f i d 标签天线4 8 5 2 1 偶极子r f i d 标签天线的应用背景4 8 5 2 2r f i d 标签天线概述5 0 5 2 3 半波偶极子纺织天线的设计与分析5 1 5 3 纺织天线设计方案二数字电视天线5 5 5 3 1 数字电视天线应用背景5 5 5 3 2 数字电视天线的仿真分析。5 6 5 3 3 数字电视纺织天线的设计分析5 8 5 4 复杂环境下纺织天线的简单分析5 9 5 5 本章小结6 2 第六章总结与展望6 3 6 1 本文工作总结6 3 6 2 未来工作展望6 3 参考文献6 5 攻读学位期间公开发表的论文6 8 致谢。6 9 织物电磁特性及纺织天线的研究 第章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 无线通信( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特 性进行信息交换的种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就 是无线通信技术【l 】。无线技术给人们带来的影响是无可争议的，它已经融入到人们日 常生活的每个角落。人体无线通信( b o d y - c e n t r i cw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 是未来无线通 信的重要发展方向，它是指利用可穿戴和可植入传感器组成的人体本身或人与人之间 的网络，该领域包括无线人体网络( w b a n s ) 、无线传感网( w s n s ) 和无线个人网 州p a n s ) 。它们在个人保健、家庭智能、娱乐及识别系统乃至太空探索、军事等方面 具有广泛的应用前景，已引起国际学术界、产业界的广泛兴趣。基于此类通信的天线 和电波传播问题值得研究，i e e e 为此在近期发出专刊征集启示，将专门对此领域的 相关最新研究成果进行汇编【2 1 。利用织物来实现人体无线通信是一种有效的方式，近 年来纺织材料工艺有了很大的发展，完全可以实现纤细柔软且不易折断的金属纤维， 可用它与其它织物材料织造成导电布料，这为织物电磁特性、可穿戴织物天线的研究 提供了重要基础。由于织物具有柔软、可折叠、轻便和易共形等优点，采用一些织造 和裁剪工艺可以制作成任意结构，通过织布的方式将金属纤维和普通纤维织成特定花 样的织物来实现控制电磁波的流向的目标。随着人们生活水平的提高，对日常生活的 环境也有了更高的要求，电磁环境也较以往更为复杂，织物屏蔽服在很多电磁环境复 杂的情况下有着广泛的应用，它能够有效的屏蔽一定程度的电磁波的辐射，军事中在 电磁屏蔽或电磁伪装等方面也存在大量潜在应用。因此此类织物的研究在民用、军事 上具有十分重要的意义。 在无线通信系统中f 3 】，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无 线电波转换为导波能量，天线则是用来辐射和接收无线电波的装置。天线是人们见闻 世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要素【4 j 。一切利用无线电波来 进行通信的系统，如广播、电视、雷达、导航、卫星等都离不开天线。天线在我们日 常生活中起着至关重要的作用，也为飞机和船舶提供必不可少的通信联络。移动电话 和所有类型的无线器材都借助天线为人们提供任何地点与任何人的通信。随着人类活 第一章绪论 织物电磁特性及纺织天线的研究 动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度。天线将能提供任何事物间 极其重要的联系，天线将成为未来的明星。在无线通信系统中，发射机所产生的已调 制的高频电流能量( 或导波能量) 经馈线传输到发射天线，通过天线将其转换为某种 图1 1 无线通信系统 极化的电磁波能量，并向所需方向辐射出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特 定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送至接收 机输入端。天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备，它的选择与设计对 整个无线电通信系统的性能有很大的影响 3 1 。在人体无线通信系统中，天线的重要性 也是如此，但对天线的要求与一般的不同，需要符合人体通信的相关特征和要求，也 就是天线本身要能够与人体结合在一起，而织物满足了这一要求，它能够无缝地融入 人们的服装，柔软性使得它能紧紧贴附在物体表面，因此用织物制作天线是一个值得 关注和研究的课题。 在研究织物制作纺织天线的同时我们必然会用到仿真工具，随着计算机软件技术 的飞速发展，天线的数值计算方法与计算机技术有效的结合在一起，成为电磁领域一 个新的热点。数值计算方法可以很好的模拟出微波器件、天线的特性，大大缩短设计 周期，降低设计成本，结合数值计算方法和计算机技术为一体的电磁仿真软件可以较 快地给出分析结果，为实际的调试工作提供了便利瞪】。 综上所述，织物的研究是人体无线通信发展的重要基础，随着纺织工艺和无线通 信的发展和有效结合，一种利用新型织物材料织就的天线即将进入人们的视线，它具 有柔软、轻便、易共形等优点，然而织物的选择、研究和织物天线的实现还需要很多 深入的研究，但不可否认的是织物器件、天线会在民用、军事上有着很大的应用前景。 2 第一章绪论 早在1 9 8 7 年就已有学者研究了基材介电特性的测试方法，但没有将方法用于测 量织物，后来文献【6 叫在测量织物的介电特性时大都采用谐振腔的方法，国内对织物 材料的电磁特性的测量目前还处于空白，文献在测量的基础上也设计了天线，均为微 带贴片天线，导带是利用金属纤维织成，并与用加铜箔时的情况进行了比较，两种情 况下天线的性能较为接近。上面的天线并未采用加固的方式来确保其稳定性，由于织 物本身松软的特性，它的结构、尺寸和布料中空气含量都很难得到保证，使得在天线 设计制作与测试时存在很大的偶然性，文献【1 0 】中就提出了使用夹具的方式，夹具本身 对天线辐射没有任何影响，只起到加固、绷直的作用，以确保空气在织物中含量的稳 定性。多数文献的目的在于用织物设计出天线，性能与一般天线无异，而在文献【l l 】 中就设计出了一款超宽带织物天线，但它的导带采用了导电涂层或铜箔的方式，其性 能的确很好，但不能完全体现纺织天线的理念。文献【9 】中将织物天线尝试用于无线通 信，也分析了天线在人体不同部位以及不同环境下性能的变化。 可穿戴式天线能无缝地融入我们的服装，具有较高的隐蔽性、灵活性和适应性。 基于这种天线的无线通信系统能够用于军事、卫生监测以及日常生活这些领域。国外 已有多名学者在进行织物相关特性的研究，在我国，对织物的电磁特性、织物天线的 设计与制作还缺乏完整的理论体系，因为它不仅融合了电磁理论、材料理论、无线通 信技术、集成电路技术等，还涉及纺织技术、测试技术等。文酬1 2 j 用织物制作了一款 矩形贴片天线，采用同轴背馈方式，此论文将织物的织就方式也纳入到了仿真之中， 为使仿真与实际制作更大程度的吻合，制作了两种结构进行了比较，正面导电薄层分 别采用单向铜纤维和网状铜结构，得出网状结构具有更大的优越性，其结果验证了用 织物制作天线是可行的，但天线也存在频偏，原因在于介质层织物介电特性的不稳定 和网状结构对天线有效尺寸的影响，这也同时体现织物用于制作天线时存在一定的不 确定性，因此就有必要对织物的电磁特性、织物材料选择和织物结构设计进行一定的 研究与分析。本文将研究金属网状织物对电磁波的屏蔽效果，利用微带线相关理论通 过测试计算得到织物的介电特性，并对织物设计天线的尺寸、结构进行了研究分析， 设计制作出几款天线，最后分析了纺织天线在复杂环境下的不同情况。 二一二一 一 第一章绪论织物电磁特性及纺织天线的研究 1 3 高频电磁仿真软件和测试设备介绍 随着计算机技术的飞速发展，天线的数值计算方法也成为近年来电磁领域研究的 热点。该方法可以很好的模拟出微波器件的特性，可以避免很多次的试错( c u ta n d w r y ) ，为缩短设计周期，降低设计成本，要先采用电磁仿真软件进行分析和设计，再 加工实物，然后进行实际调配，再根据仿真和实测的结果进行理论分析，重新进入下 一轮设计，直到取得满意的结果，达到设计指标为止。其中，理论分析起着指导性的 作用，电磁仿真软件可以较快地给出分析结果，为实际的调试工作提供了便利。本文 在分析与设计中主要采用了a n s o f t 公司的h f s s l l 和a g i l e n t 公司的a d s 2 0 0 5 这 两款电磁仿真软件。 h f s s ，即h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t i o n 的简称，是世界上第一个商业化的 三维结构电磁场仿真软件，可以分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，并直接得 到特性阻抗、传播常数、s 参数以及电磁场、辐射场等结果，广泛地应用于天线、滤 波器、功分器、隔离器的设计以及电磁兼容、天线布局等问题的计算。h f s s 的理论 基础是有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，f e m ) 吼采用白适应网格剖分、切向元等 专项技术，集成了工业标准的建模系统，提供了功能强大作图工具，直观的后处理器 及独有的场计算器，可以计算分析各种复杂的电磁场，并可对任意的参数进行优化和 扫描分析。 a d s ，即a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m 的简称，是安捷伦科技有限公( a g i l e n t ) 为适 应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款e d a 软件。a d s 软 件提供了一个2 5 d 的平面电磁仿真分析功能m o m e n t i l m ( a d s 2 0 0 5 a 版本 m o m e n t u m 已经升级为3 d 电磁仿真器) ，可以用来仿真微带线、带状线、共面波导 等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的s 参数 结果可直接用于些波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。在 m o m e n t u m 电磁分析中提供两种分析模式：m o m e n t u m 微波模式即m o m e n t u m 和 m o m e n t u m 射频模式即m o m e n t u mr f ：使用者可以根据电路的工作频段和尺寸来判 断选择使用。通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，a d s 让设 计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路图 捕获、布局和验证功能，因此不需要在设计中停下来更换设计工具。它的算法原理是 4 织物电磁特性及纺织天线的研究第一章绪论 矩量法( m e t h o do fm o m e n t ，m o m ) ，主要工作是将积分方程化为差分方程，或将积 分方程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组，故它的主要工作量是用计算机求 解代数方程组。 为了熟悉电磁仿真软件，本文将仿真实现一款高性能阻抗变换器。阻抗变换器和 阻抗匹配网络已经成为微波射频电路以及最大功率传输系统中的基本部件。阻抗变换 通常采用2 种方法：集总参数法和传输线法。传统的阻抗变换器仅适用于窄带单频段 阻抗变换，如1 4 波长阻抗变换器、二项式阻抗变换器、切比雪夫阻抗变换器等，都 是在需要匹配的两个阻抗之间插入多段等长度、特性阻抗不同的传输线实现阻抗匹配 0 3 1 。这种方法分析设计简单，但是很可能出现理论设计结果不能实现的情况。近年来 发表了关于双频和三频段的文献，如文献 1 4 1 针对双频问题提出一种总长度为1 3 波长 的两节传输线组成的双频阻抗变换器，采用数值解的方法，得到一个经验公式，该公 式设计的阻抗变换器在阻抗比率较小时能满足工程需要。文献【1 5 】【1 6 1 针对文献【1 4 】的不 足得出在任意两个频率点上对纯电阻负载实现理想的阻抗匹配；文献【l7 】则将双频问题 发展为三个任意频率同时工作的传输线阻抗变换器。按照文献【1 6 1 1 7 1 的设计思想，当 需要匹配的频点增加时就需要相应的增加传输线的节数。仅从文献【l 7 】中的三节传输线 阻抗变换器来看，就需要求解一个具有六变量超越非线性方程组，这是相当困难的。 即使经过预处理简化的二变量超越非线性方程组的数值求解仍然非常困难。 近年来发表了一些改进的宽带匹配方法，但都是改变每段线的特性阻抗分布，没 有充分利用长度信息。文献n 7 1 提出了采用非均匀变换网络进行阻抗变换的方法，它将 等长度的均匀网络变为不均匀网络，长度也参与改善带内的响应，这样能减少传输线 阻抗特性的变化范围。这时，对于非对称匹配网络传统的宽带匹配设计方法不再适用， 文献17 】中采用了网络等效方法进行设计，但是，每段线的长度是人为选择的，有很大 的盲目性，不能保证得到最佳的电路参数。文献1 9 】【刎中已经提出了耦合微带传输线 实现阻抗匹配的结构，文献【1 8 】中也提出了耦合带状传输线是可以实现实或复阻抗匹配 的，本文就将以耦合线为基础单元，使用电磁仿真软件来设计优化，提出一款能够在 宽频带范围实现任意阻抗匹配的阻抗变换器。 本文的所有天线、器件实物辐射参数都是在苏州大学禾邦辐射测试中心进行测 试。硬件设备主要有网络分析仪，频谱仪，无线通信综合测试仪。图1 2 给出了各个 测试设备的实物图。 5 第一章绪论织物电磁特性及纺织天线的研究 ( a ) 频谱仪，无线通信综合测试仪等 网络分析仪( a g i l e n t e 5 0 7 1 a ) 图1 2 天线测试设备 1 4 本文主要工作及论文结构 本文的主要工作是研究宽带阻抗变换器的实现方法，研究织物的电磁特性并将织 物用于天线设计，本文内容结构安排如下： 第一章为绪论，阐述了选题背景和研究意义，对微带阻抗变换器的发展进行了介 绍，并简要分析了织物电磁特性和纺织天线的研究现状。 第二章分析了两款利用耦合线设计阻抗变换器的模型，在此基础上提出了一款基 于耦合微带线的微型宽带阻抗变换器，通过这个器件的仿真优化设计来熟悉电磁仿真 软件的使用，为后期仿真优化工作做准备。 第三章研究了织物的电磁特性，通过对不同网状结构及尺寸的金属纤维织物对电 磁波能量的传输性能测试，分析了织物的屏蔽效果，为找到合适的屏蔽织物的织就方 法奠定了基础；利用带状线夹具的方法并结合计算得到织物材料与p c b 基材的综合 介电特性，再用比较的方法计算出织物的介电常数，为织物的设计做出必要准备。 第四章介绍了微带矩形贴片天线的理论及仿真设计。以此天线为载体，研究不同 材料、不同网状结构下天线的性能，分析比较得到最优材料和结构。 第五章介绍了用织物设计r f i d 纺织标签天线和数字电视纺织天线，并对实物进 行测试和验证。在复杂环境下的情况下测试矩形纺织贴片天线，分别从天线柔软性、 空气含量和潮湿三个角度研究了天线性能的变化。 第六章为结论与展望，对全文的工作加以总结，并提出了文中尚未解决、需要改 进和有待进一步研究与探索的问题。 6 织物电磁特性及纺织天线的研究第二章电磁仿真方法的研究实践 第二章电磁仿真方法的研究实践 本文对织物电磁特性和纺织天线的研究过程中，始终采用理论、仿真分析与实验 分析相结合的方法，而其中仿真分析的手段显得格外重要，电磁仿真软件能够较快地 给出分析结果，为实际的调试工作提供便利，也能很好的模拟计算出微波器件的特性， 避免多次试错的重复劳动，大大缩短设计周期，降低设计成本。本章将以研究一款高 性能阻抗变换器为基础，达到熟悉仿真软件和使用方法的目的，为织物的相关研究设 计做出必要的准备，首先根据理论分析和原型分析得到器件的结构和简单参数，再采 用电磁仿真软件a d s 进行分析和设计，经多次优化后得到最优的结果，再加工实物， 然后进行实际调配，最后根据仿真和实测的结果，进行理论分析，重新进入下一轮设 计，直到取得满意的结果，达到设计指标为止。本文就将以耦合线为基础单元，使用 电磁仿真软件来设计优化，提出一款能够在宽频带范围实现任意阻抗匹配的阻抗变换 器。 2 1 阻抗变换器理论 当负载阻抗与传输线特性阻抗不相等，或连接了两段特性阻抗不同的传输线时， 由于阻抗不匹配会发生反射现象，为了消除这种不良反射现象，可在阻抗不匹配处接 入一个二端口网络，使在主传输线上无反射波，如此获得良好的匹配，该二端口网络 称为阻抗变换器，如图2 1 所示。阻抗变换器和阻抗匹配网络已经成为微波射频电路 入射波 + z o 广一 阻抗变换器 z i n = z o 图2 1 阻抗变换网络 以及微波传输系统中的基本部件，它关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性， 关系到微波测量的系统误差和测量精度以及微波元器件的质量等一系列问题。在微波 传输系统中，如果传输线特性阻抗与负载不匹配，或连接两段特性阻抗不同的传输线 时，传输线上有驻波存在，这样会产生反射现象，这一方面会使传输线功率容量降低， 7 第二章电磁仿真方法的研究实践 织物电磁特性及纺织天线的研究 另一方面会加剧传输线的衰减；如果信号源与传输线不匹配，不仅会影响信号源的频 率和输出的稳定性，而且信号源不能给出最大功率。因此，微波传输系统一定要做到 阻抗匹配。 常用的二端口网络阻抗变换器有两种2 1 】：一种是由1 4 波长传输线段构成的阶梯 阻抗变换器( 包括单节和多节) ；另一种是渐变线阻抗变换器。单节1 4 波长阻抗变 换器的工作原理可由图2 1 加以说明，若主传输线的特性阻抗为z 0 ，终端接一纯电阻 性负载z 。，且z 。z o ，在这两者之间接入特性阻抗为z 1 ，长度为扛九。4 的一段传输 线，p 九。= 罢，则瓦处的输入阻抗乙为 乙= 五百z , + 历i z , t a 丽n ( 队丽, 4 ) = 善 p ) 若要实现z i = z o ，则要求 z i = z o z 工 ( 2 - 2 ) 计一1 ，4 波叫t - z 蛔 + 如此即可实现完全匹配，在主传输线上无反射波。当工作频率偏离兀时， p 九。衫2 ，则z j n z o 。因此图2 2 中参考面瓦处的反射系数就不再等于零。设此时r o 7z + y z , t a n ( p 1 ) 7 r=丽in-zo=鲁鬻jzt a n ( p l ( 2 - 3 ) 乙+ z 0 ，z l +。 ) ， l i z i + 皿l t a n ( p t ) 。i - 0 当输出端接匹配负载，输入端反射系数即为墨，。从下图2 3 中可以看出，在 8 真方法的研究实践 图2 3 单节1 4 波长阻抗变换器的带宽特性 2 2 耦合线阻抗变换器的分析研究 2 2 1 微带耦合线理论 当两个无屏蔽的传输线紧靠在一起 时，由于各个传输线的电磁场的相互作用， 在传输线之间存在功率耦合，这种传输线 被人们称为耦合传输线【2 2 1 。通常假定耦合 传输线工作在t e m 模，这对于带状线结 构是严格正确的，而对于微带线结构是近 图2 4 四端口耦合微带线模型图 似正确的，本次设计都是建立在微带线的基础之上的，并且假定如图2 4 所示的四端 口对称耦合微带传输线工作在t e m 模，它的奇偶模阻抗分别用z