摘要：本文提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的可穿戴天線并加載模擬人體進(jìn)行仿真。天線結(jié)構(gòu)為印制在FR4介質(zhì)基板上的正弦形對(duì)稱振子，通過(guò)梯形漸變線巴倫平衡饋電，天線尺寸為0.4λ×0.096λ×0.008λ（λ為諧振頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)）。在CST軟件中對(duì)天線建模，仿真結(jié)果表明天線在2.28GHz-2.57GHz頻帶范圍內(nèi)，電壓駐波比（VSWR）小于2，最大增益大于2.3dBi。模擬人體結(jié)構(gòu)包括皮膚，脂肪，肌肉三層結(jié)構(gòu)，加載模擬人體后天線諧振頻率變化小，方向圖穩(wěn)定，2.4GHz工作頻率下最大增益大于5.8dBi。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性好，適用于藍(lán)牙、WIFI等以人體為中心的短距離無(wú)線通信。

關(guān)鍵詞：可穿戴天線，巴倫，小型化，模擬人體

一、引言

近年來(lái)，以人體為中心的無(wú)線通信被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，例如遠(yuǎn)程醫(yī)療，衛(wèi)星通信，全球定位系統(tǒng)等。可穿戴天線作為人體中心通信輻射和接收電磁波的的裝置，起著重要作用。所謂可穿戴天線，就是指天線以特殊的結(jié)構(gòu)或者特殊的材料構(gòu)成，從而集成到人體所穿戴的衣物上。可穿戴式天線在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下要求：具備穩(wěn)定的電特性；結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；易于與身體或設(shè)備共形。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于可穿戴天線的研究主要在于：1、在人體的不同位置放置平面印刷天線獲得所需要的性能^[1][2]，2、與衣物集成化設(shè)計(jì)的特殊材料共形天線^[3]，如集成在紐扣上^[4]和皮帶上^[5]的可穿戴天線。然而，在可穿戴天線的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：由于可穿戴天線是集成在衣物上或者人體表面的，因此天線工作于人體附近^[6][7]，而人體可以看作一種特性復(fù)雜的介質(zhì)，必然對(duì)天線的性能參數(shù)產(chǎn)生影響^[8][9]，主要影響是由于輻射能量部分被人體吸收，使得輻射效率降低(據(jù)估計(jì)，移動(dòng)電話的最高效率為30～50％，而最差只能達(dá)到3～5％)。故而對(duì)穿戴式天線的研究主要集中于如何保持與人體的共形性以及如何獲得高增益。

本文提出了一種阻抗帶寬覆蓋ISM 2.4GHz頻段的可穿戴天線，具有小型化，可共形的特點(diǎn)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能，對(duì)天線結(jié)構(gòu)尺寸在CST中建模仿真優(yōu)化，并且對(duì)天線加載模擬人體來(lái)驗(yàn)證天線的工作穩(wěn)定性與實(shí)用性。

二、天線設(shè)計(jì)

本文提出的可穿戴共形天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由輻射部分和饋電部分雙層結(jié)構(gòu)組成。天線輻射部分為平面對(duì)稱振子，振子結(jié)構(gòu)采用蜿蜒正弦曲折線，這樣的設(shè)計(jì)能使天線獲得額外的電感系數(shù)從而便于小型化。饋電部分為梯形漸變線巴倫，其中微帶線的寬度為0.8mm。巴倫結(jié)構(gòu)的引入可以保證輻射部分輸入端得到平衡饋電，并且起到阻抗匹配的作用。對(duì)稱振子和巴倫結(jié)構(gòu)都印刷在介電常數(shù)為ε=4.4、厚度為H=0.5mm的FR4介質(zhì)板上，饋電部分通過(guò)金屬圓柱連接到輻射部分。在2.4GHz諧振頻率下，天線整體尺寸為0.4λ×0.096λ×0.008λ（λ為諧振頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)），天線整體較小，便于攜帶，故可以放置在人體的不同位置而不會(huì)對(duì)人的自身行為造成影響。使用電磁仿真軟件CST對(duì)本文中設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模仿真和尺寸優(yōu)化，最終得到的尺寸參數(shù)如表1所示。

（a）天線立體圖及其分解結(jié)構(gòu)

（b）天線俯視圖

圖1、天線示意圖

表1、優(yōu)化后天線結(jié)構(gòu)各尺寸參數(shù)值(單位：mm)

L1	L2	R	W1
50	18	1.7	12

天線電壓駐波比如圖2中紅色曲線所示。天線在2.28GHz-2.57GHz頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比小于2，阻抗帶寬達(dá)到290MHz，具有寬頻帶特性。諧振頻點(diǎn)近似在2.4GHz，在諧振頻點(diǎn)處電壓駐波比為1.23。天線在2.4GHz頻點(diǎn)下的增益方向圖如圖3所示。天線具備典型對(duì)稱振子輻射方向圖，最大增益可以達(dá)到2.32dBi。

圖2、天線電壓駐波比

圖3、天線立體增益方向圖

三、模擬人體仿真

在研究人體對(duì)天線的影響時(shí)，必須精確建立人體模型，但是人體是由多種形狀各異、電磁特性復(fù)雜的生物組織構(gòu)成的；并且大多數(shù)生物組織都是非均勻的色散介質(zhì)，所以無(wú)法精確建立人體模型。但是可以通過(guò)采用構(gòu)建不同人體模型，獲得多次結(jié)果來(lái)盡可能的獲得在誤差允許范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)^[10]。

由于天線并非直接與人體接觸，我們?cè)谔炀€下方距離天線4mm處放置一個(gè)類似人體胸膛的方塊。在CST中建立人體模型，如圖4所示，從上往下依次設(shè)置為皮膚層（厚度2mm），脂肪層（厚度5mm），肌肉層（厚度10mm）三層結(jié)構(gòu)，模型體積為200mm×160mm×17mm。通過(guò)設(shè)置類人體的介電常數(shù)等電特性，獲得仿真結(jié)果，觀察人體對(duì)于天線的影響。

圖4、模擬人體模型圖

加載模擬人體模型后，天線電壓駐波比如圖2綠色曲線所示，在2.24GHz-2.51GHz工作頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比小于2，阻抗帶寬達(dá)到270MHz，具有寬頻帶特性。天線諧振頻點(diǎn)稍微向低頻處偏移，這是由于加載人體后相當(dāng)于加載復(fù)合介質(zhì)，相當(dāng)于使天線等效電長(zhǎng)度增加了。天線增益方向圖如圖5所示，可以看到加載模擬人體后，天線方向圖受到了影響，基本變成了單向輻射。這是由于模擬人體模型對(duì)天線輻射電磁波具有強(qiáng)反射，這同時(shí)也使得天線的主瓣增益提高。

四、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的工作于ISM 2.4GHz頻段的正弦形可穿戴天線具有尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，容易加工等特點(diǎn)。天線通過(guò)巴倫饋電，帶寬大于250MHz，電特性穩(wěn)定。在CST仿真軟件中對(duì)天線加載模擬人體進(jìn)行建模仿真，在加載人體模型前后，天線諧振頻率和阻抗帶寬變化很小，輻射方向圖穩(wěn)定為單向輻射，最高增益可達(dá)5.88dBi。仿真結(jié)果可以看出，該天線的設(shè)計(jì)基本符合我們的需求，并且由于總體只有不到50mm，所以可以印刷在衣服的各個(gè)部位，具有良好的共形性，也不會(huì)影響到人體自身的活動(dòng)性。

圖5、加載模擬人體后天線立體增益方向圖

作者：西安電子科技大學(xué) 徐樂(lè)凡 徐超龍

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本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2016無(wú)線射頻專刊，未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。