《Journal of Electronic Science and Technology》：Performance analysis of conventional FR4 antenna prototype and polyimide wearable antenna for ultrawide-band applications
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超宽带（UWB）技术的快速发展推动了对具有紧凑尺寸、灵活性和高效辐射特性的高性能天线的需求。本文对用于UWB应用的传统阻燃（FR4）基天线原型与聚酰亚胺（PI）基可穿戴天线进行了比较性能分析。研究人员对这些天线进行了制作，并针对可穿戴应用在反射系数、阻抗带宽、
超宽带（UWB）技术的快速发展推动了对具有紧凑尺寸、灵活性和高效辐射特性的高性能天线的需求。本文对用于UWB应用的传统阻燃（FR4）基天线原型与聚酰亚胺（PI）基可穿戴天线进行了比较性能分析。研究人员对这些天线进行了制作，并针对可穿戴应用在反射系数、阻抗带宽、增益和辐射方向图等关键性能指标方面进行了评估。结果表明，FR4基天线性能稳定且易于制造，同时具有优异的柔韧性、共形性和低重量，非常适合穿戴于人体的应用。此外，该可穿戴天线在保持紧凑性的同时维持了较宽的阻抗带宽。这些发现为刚性天线材料与柔性天线材料之间的权衡提供了有价值的见解，突出了PI基板在下一代UWB可穿戴通信系统中的潜力。
一、研究背景与意义
超宽带（UWB）技术凭借其高速率、低功耗和抗干扰能力，已成为短距离无线通信的重要发展方向。美国联邦通信委员会（FCC）已批准3.1–10.6 GHz频段用于UWB无线设备。微带贴片天线因其成本低、剖面低、易于共形等优点受到广泛关注。然而，传统天线基板如FR4材料刚性强、柔韧性差，难以满足可穿戴设备对弯曲、折叠和共形安装的需求。现有文献中的UWB天线虽然在工作带宽或增益方面各有优化，但普遍存在体积较大、基板刚性、弯曲状态下性能退化明显等问题。因此，开展柔性基板材料天线的设计及其与常规刚性基板天线的系统对比研究，对推动下一代可穿戴UWB通信系统的发展具有重要意义。
二、研究内容与主要方法
本研究中，研究人员设计并制作了一款基于聚酰亚胺（PI）基板的单极子椭圆贴片（MESP）天线，并以FR4基板天线作为对照。天线工作于2.49–15.00 GHz频段，覆盖FCC规定的UWB频带。研究利用CST Microwave Studio软件基于有限积分技术（FIT）进行仿真设计，通过逐步引入中央椭圆槽和四个菱形槽实现天线结构优化。天线样品在两种基板上分别制作，使用矢量网络分析仪测量S11参数，并在微波暗室中测试辐射方向图和增益。同时，研究了天线在凹凸弯曲状态下的电磁性能变化。
三、研究结果
**3.1 平面状态**
仿真结果表明，所提MESP天线的S11在工作频带内低于?10 dB，模拟阻抗带宽为12.51 GHz（2.49–15.00 GHz），实测带宽为12.60 GHz（2.40–15.00 GHz），二者一致性良好。PI基板天线的辐射效率在8.56 GHz时达到97.12%，全频带内保持93.3%–99.3%，优于FR4基板天线。模拟峰值增益为6.30 dBi。辐射方向图在整个工作频段呈准全向特性，共极化电平显著高于交叉极化电平，表明天线具有良好的极化纯度。
**3.2 弯曲状态**
对天线进行凹面和凸面弯曲测试。凸面弯曲半径约47.67 mm时，贴片被轻微拉伸，电长度增加，谐振频率略向低频偏移，带宽略有减小；凹面弯曲半径约9.52 mm时，贴片被压缩，谐振频率升高，阻抗匹配变差。仿真和实测显示，凹弯状态天线的阻抗带宽为12.543 GHz，峰值增益为6.74 dBi；凸弯状态下带宽为12.572 GHz，峰值增益为7.20 dBi。研究表明，弯曲半径大于贴片长度五倍时可保持较稳定的天线性能，凸面弯曲对天线性能的影响小于凹面弯曲。
此外，研究人员将所提MESP天线与文献中多种UWB天线进行了对比，结果显示该天线在尺寸、带宽和峰值增益方面均有明显优势。
四、讨论与结论
弯曲半径分析表明，柔性天线在实际应用中应考虑曲面曲率对阻抗匹配和辐射性能的影响。为了保证可穿戴设备中天线性能的稳定，应尽量采用较大的弯曲半径。本文通过系统对比，验证了PI基板在柔性、轻量化及宽频带方面的综合优势，为柔性UWB天线的工程应用提供了设计依据。
本研究设计了一种用于UWB应用的简单低剖面MESP天线，采用47 mm × 33 mm × 0.07 mm的Kapton PI基板制成。天线结构紧凑、易于制造、占用空间小。设计采用柔性、弹性好且介电损耗低的Kapton PI基板，并使用共面波导（CPW）馈电结构，通过锥形CPW馈线激励辐射单元，从而在工作频带内获得良好的阻抗匹配。该天线实现了12.51 GHz的阻抗带宽和6.30 dBi的峰值增益，优于常规天线。天线在E面和H面均呈现准全向辐射方向图。在弯曲状态下，天线的阻抗匹配和辐射特性退化极小。凭借其灵活性、可靠性、便携性、易制造性以及良好的辐射和阻抗特性，所提天线非常适合UWB应用。
