一種新型超低剖面的周期性缺陷地可穿戴天線

段中航，逯貴禎，劉嘯嵐

(中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

一種新型超低剖面的周期性缺陷地可穿戴天線

段中航，逯貴禎，劉嘯嵐

(中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

可穿戴天線為了適應(yīng)穿戴要求，通常要求厚度很薄并且后向輻射小，以減免對(duì)人體的影響。微帶天線可以減少后向輻射，但是當(dāng)厚度變薄的時(shí)候，天線的輻射性能大大降低。為了滿足穿戴天線對(duì)輻射性能和厚度的要求，本文對(duì)使用周期性缺陷地結(jié)構(gòu)的超低剖面(0.5mm)微帶天線進(jìn)行了研究，在微帶天線輻射縫隙位置，采用周期結(jié)構(gòu)提高超低剖面微帶天線的輻射性能，同時(shí)又可以降低微帶天線的后向輻射。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種周期性缺陷地結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能有著顯著的提升，且對(duì)人體更加安全。

低剖面天線；周期結(jié)構(gòu)；可穿戴天線；缺陷地結(jié)構(gòu)

1 引言

隨著智能設(shè)備的快速發(fā)展，可穿戴式的智能設(shè)備逐漸成為了當(dāng)前最火熱的研究領(lǐng)域。一般的，智能設(shè)備需要與其他設(shè)備之間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，這就對(duì)可穿戴設(shè)備的有線及無線通信方式產(chǎn)生了一定的需求。對(duì)可穿戴智能設(shè)備而言，有線通信通常是較為累贅的，人體的任何動(dòng)作都可能受到連線的影響，而使用微小型天線進(jìn)行無線通信才是最為方便且容易實(shí)現(xiàn)的。如此一來也就對(duì)適用于可穿戴設(shè)備的新型可穿戴天線有了很大的需求。作為穿戴天線，要求天線在適應(yīng)穿戴環(huán)境的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)具有向后輻射小、天線厚度薄、輻射增益高等多個(gè)要求。微帶天線作為穿戴天線可以基本適應(yīng)穿戴設(shè)備的要求，國內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。

早期文獻(xiàn)[1，2]等提出的可穿戴天線面積或剖面較大，影響了其可穿戴性；[3-6]中的可穿戴天線盡管都做到了低剖面化，厚度在1mm左右甚至更低，但它們都是全向天線，前后方向性基本一致，也就導(dǎo)致要么人體比吸收率(SAR，Specific Absorption Rate)會(huì)很容易超出規(guī)定范圍，要么還需要在所應(yīng)用的可穿戴設(shè)備上添加屏蔽層保證輻射安全，從而增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和加工成本；[7，8]中的天線都是多層結(jié)構(gòu)，厚度比較大，不適應(yīng)低剖面化的需求；類似的多層結(jié)構(gòu)還有文獻(xiàn)[9-11]，采用磁導(dǎo)體作為微帶天線的反射面來有效降低天線本身的厚度并改進(jìn)天線性能，但是目前常見人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)本身的厚度在常用通信頻段仍然很大，使得天線加上反射面的厚度反而有所增加。最新的相關(guān)研究還有如文獻(xiàn)[12-14]的織物天線，使用金屬絲及多種材料3D打印的天線結(jié)構(gòu)柔軟，可以直接編織在衣物上，但性能易受影響；[15，16]的紙基天線，多用于射頻識(shí)別等方面，剖面足夠低，但天線設(shè)計(jì)復(fù)雜；最前沿的可穿戴天線就是[17-19]的石墨烯天線，被稱為是最適合于可穿戴天線的天線類型，但目前相關(guān)研究仍在起步階段，成本高昂。

本文針對(duì)目前穿戴天線在剖面與輻射性能等方面的問題，提出在微帶天線輻射縫隙位置，采用周期性缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS，Defected Ground Structure)提高超低剖面微帶天線的輻射性能，同時(shí)又可以得到很低的后向輻射。本文設(shè)計(jì)的一種中心頻率在2.4GHz左右超低剖面(0.5mm)的具有周期性DGS的微帶天線作為可穿戴天線，改進(jìn)了多種其它天線在類似情況下的多項(xiàng)性能參數(shù)，對(duì)可穿戴天線及相關(guān)的天線設(shè)計(jì)有一定的價(jià)值和參考意義。

2 天線設(shè)計(jì)方法

人工磁導(dǎo)體是一塊包含反射層、介質(zhì)層以及地板的三層結(jié)構(gòu)，通常放置在天線結(jié)構(gòu)正后方的一定距離內(nèi)。其原理是通過對(duì)反射層鋪敷材料的周期性結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)來對(duì)垂直入射的電磁波實(shí)現(xiàn)某一頻率上的類似于磁導(dǎo)體的零相位角反射，但這樣一來天線的整體厚度都基本上超過了3mm，剖面并不理想[20，21]。為了實(shí)現(xiàn)低剖面而又不損失性能，本文參考了人工磁導(dǎo)體的周期性結(jié)構(gòu)，采用了在天線的輻射縫隙所在地面進(jìn)行周期性DGS設(shè)計(jì)的方案，這種方案的基本思想是改善超低剖面微帶天線輻射性能差的問題，同時(shí)又可以保留微帶天線后向輻射小的優(yōu)點(diǎn)。

一般DGS結(jié)構(gòu)都是從等效電路原理來考慮其性能[22-24]，而人工磁導(dǎo)體則是考慮每個(gè)單元的反射系數(shù)和反射相位。要研究周期性DGS，本文也從其周期單元的性能出發(fā)來研究對(duì)天線整體性能的影響，所提出的周期結(jié)構(gòu)的具體尺寸及其仿真模型如圖1所示。

(a)HFSS中DGS單元仿真設(shè)計(jì)

(b)DGS單元底層尺寸 圖1 HFSS仿真中DGS單元模型及尺寸 注：h：2mm，g：5mm，f：1.86mm，i：1.22mm

在圖1中，紅色的外框部分為底層的金屬覆蓋區(qū)域，中間的藍(lán)色方塊為被鏤空露出介質(zhì)的部分。將頻率范圍設(shè)置在2～3GHz的范圍內(nèi)，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)3.66，損耗角正切0.004。在仿真的同時(shí)，對(duì)應(yīng)天線剖面由高到低的變化，將周期單元的厚度h在Ansys HFSS 15的Floquet端口仿真中從2mm逐漸降低到0.1mm得出其反射相位角度及歸一化的反射系數(shù)如圖2所示。

(a)反射相位角

(b)歸一化的反射系數(shù) 圖2 不同厚度DGS單元性能參數(shù)

觀察圖2，可知反射相位在90°至30°之間變化，2.4GHz左右有99.94%左右的信號(hào)被反射回到了發(fā)射端口，表明這種小方框結(jié)構(gòu)的反射性能很強(qiáng)，而且厚度的變化對(duì)整體性能的影響非常小，穩(wěn)定性很高。盡管DGS單元沒有達(dá)到人工磁導(dǎo)體所要求的0反射相位，但其在2-3GHz的頻率范圍內(nèi)是處于人工磁導(dǎo)體±90°的帶寬范圍內(nèi)的，再加上高反射率，使得此結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近人工磁導(dǎo)體的性能了。所以，將此DGS作為天線的地是可行的。但方形微帶天線輻射理論上一般是將上下兩條邊作為主要輻射縫隙，并考慮到反射相位不為零及簡化天線設(shè)計(jì)等原因，本文中并沒有將整個(gè)地板都設(shè)置為這種周期結(jié)構(gòu)，而是以微帶貼片的邊界為中心在地板上僅放置了一圈周期結(jié)構(gòu)，DGS天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 天線設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

本節(jié)首先對(duì)傳統(tǒng)微帶天線及其厚度變化后的性能參數(shù)進(jìn)行仿真，然后對(duì)DGS天線進(jìn)行同樣的仿真進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)微帶天線原理，可以計(jì)算出2.4GHz頻率下，介質(zhì)Rogers RO4350B，εr為3.66，損耗角正切0.004，介質(zhì)厚度2mm時(shí)的微帶貼片的理論尺寸為40.95×32.07mm。在HFSS中進(jìn)行天線建模及仿真，并進(jìn)行微帶天線尺寸及性能優(yōu)化后的天線模型如圖3所示。同樣的，紅色部分為覆銅部分，藍(lán)色為介質(zhì)部分。為了低剖面化，將天線厚度h降為0.5mm，再進(jìn)行仿真，兩種情況下的天線性能如表1所示。為了使仿真結(jié)果盡可能的可靠，還使用CST STUDIO 2014對(duì)相同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，并對(duì)所得結(jié)果與HFSS同樣列表比較。

分析表1的數(shù)據(jù)，可知兩種仿真軟件的結(jié)果非常相近。當(dāng)厚度減為0.5mm時(shí)，傳統(tǒng)天線的輻射性能降低很多，基本處于輻射很低的狀態(tài)，而且由于天線厚度的變化使得中心頻率產(chǎn)生了一定的偏移。上述仿真證明了僅僅通過減少天線厚度來實(shí)現(xiàn)超低剖面化是行不通的，還需要對(duì)天線進(jìn)行其它改進(jìn)以增強(qiáng)其在超低剖面下的性能表現(xiàn)。將本文提出的新周期性DGS天線進(jìn)行建模及仿真，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，同樣的在2mm及0.5mm厚度下的性能如表2所示。從圖中還可以看出，這種鏤空結(jié)構(gòu)同樣也較大程度地避免了地的變動(dòng)對(duì)饋線的影響。

對(duì)比表2與表1中的天線仿真結(jié)果，忽略周期性DGS對(duì)中心頻率產(chǎn)生的偏移，兩種厚度下的DGS天線的性能參數(shù)基本上都有10%以上的改善，尤其對(duì)于0.5mm的超低剖面情形而言，性能增強(qiáng)非常明顯。這也就是說，在不改變天線的尺寸結(jié)構(gòu)的條件下，通過這種周期性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以說是極大地改善了超低剖面情況下微帶天線的性能參數(shù)。所有參數(shù)中只有前后比有所降低，但這也正是之前討論周期單元的反射時(shí)所表現(xiàn)出來的，每一個(gè)周期單元?dú)w一化后的反射系數(shù)略小于1所造成的結(jié)果。

將0.5mm厚度下的天線表面的總電場分布繪出如圖5所示，可見同樣結(jié)構(gòu)的天線表面在DGS的對(duì)應(yīng)的位置出現(xiàn)了較低的分布。從電場分布來說也就是延長了天線貼片上下邊界的高電場分布的長度，所以在不改變天線貼片尺寸的情況下從某種程度上加大了微帶天線的電長度，從而增強(qiáng)了天線性能。

圖3 微帶天線模型及尺寸：(a)天線正面；(b)側(cè)面；(c)背面 注：W1：68mm，L1：51.1mm，W2：48mm，L2：31.1mm，d：1.5mm，e：10mm

仿真程序天線厚度/mm饋線尺寸/mm天線長度(整體)/mm天線寬度(整體)/mm中心頻率/GHzHFSS2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.40CST2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.36HFSS0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.49CST0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.44S11/dB-10dB帶寬/MHz最大增益/dBi前后比/dB最大方向性系數(shù)/dB輻射效率/%-24.5954.506.7111.017.1889.79-13.8758.006.6611.748.0785.16-17.8518.805.4611.057.2067.14-11.2013.204.7811.136.9959.97

圖4 DGS天線模型及尺寸：(a)天線正面；(b)側(cè)面；(c)背面

仿真程序天線厚度/mm饋線尺寸/mm天線長度(整體)/mm天線寬度(整體)/mm中心頻率/GHzHFSS2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.46CST2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.48HFSS0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.66CST0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.69S11/dB-10dB帶寬/MHz最大增益/dBi前后比/dB最大方向性系數(shù)/dB輻射效率/%-23.9059.406.7910.407.2091.04-15.7271.506.8811.396.6167.15-20.8520.806.1010.157.3774.62-14.4526.205.6010.167.2368.74

圖5 0.5mm厚度下微帶天線及鏤空天線貼片的表面總電場分布：(a)微帶天線；(b)DGS天線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工后所得天線實(shí)物如圖6所示，出于成本控制及實(shí)驗(yàn)效率等方面的考慮，僅加工了0.5mm下的DGS天線及對(duì)比用的微帶天線實(shí)物。在微波暗室中使用安捷倫公司生產(chǎn)的E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀及相關(guān)配套設(shè)施對(duì)同樣0.5mm厚度的微帶天線和DGS天線進(jìn)行測試及分析，可得兩種天線及其仿真的S11如圖7，方向圖如圖8，實(shí)測天線各項(xiàng)性能數(shù)值如表3。

圖6 0.5mm厚度的DGS天線實(shí)物：(a)天線正面；(b)地面

圖7 DGS天線，微帶天線實(shí)物及其HFSS仿真的S11曲線對(duì)比

圖8 DGS天線，微帶天線實(shí)物及其HFSS仿真的方向圖對(duì)比 (a)DGS天線仿真方向圖；(b)微帶天線仿真方向圖； (c)DGS天線實(shí)物方向圖；(d)微帶天線實(shí)物方向圖

天線種類天線厚度/mm饋線尺寸/mm天線長度(整體)/mm天線寬度(整體)/mm中心頻率/GHzDGS天線0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.68微帶天線0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.48S11/dB-10dB帶寬/MHz最大增益/dBi前后比/dB最大方向性系數(shù)/dB輻射效率/%-20.3625.108.9310.509.66—-22.3622.008.4710.769.87—

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與HFSS仿真的結(jié)果更為吻合。首先，圖7表明相同結(jié)構(gòu)的實(shí)物與仿真的S11的結(jié)果基本一致，只有很小的偏差。除了加工誤差及測量誤差的存在外，這個(gè)偏差還與實(shí)物加工時(shí)所采用的材質(zhì)與仿真的理想介質(zhì)之間的誤差有關(guān)。盡管實(shí)物天線的中心頻率距離2.4GHz有一定差距，但本文主要是對(duì)相同尺寸結(jié)構(gòu)的天線所做的一系列研究，從而很好的體現(xiàn)出DGS對(duì)性能的影響，所以頻率上的差距只需要對(duì)天線貼片的尺寸再按照所得規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化仿真就可以消除，對(duì)本文結(jié)果的影響不大。兩種天線的方向圖存在一定區(qū)別，這與測試環(huán)境相關(guān)性較大，誤差在所難免，但在同樣條件下測試所得的表3來看，DGS天線相對(duì)微帶天線在其它性能上的差距微乎其微，但其S11的-10dB帶寬遠(yuǎn)好于微帶天線，而且實(shí)物方向圖顯示出其-3dB寬度更好，也就是說覆蓋面要大得多。所以，結(jié)合表1，2，3可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真及預(yù)期結(jié)果一致，可認(rèn)為證明了本文所提出的結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能提升的作用。

為了證明DGS天線的人體安全性能，可將其在HFSS中進(jìn)行SAR仿真。設(shè)人體皮膚厚度0.5mm，εr為3.3，損耗角正切0.03，密度1000kg/m3，肌肉組織厚度60mm，εr為41.4，電導(dǎo)率1.8S/m，密度1041kg/m3，將DGS天線距離人體1mm放置，分別在天線中心及饋線中心測得肌肉組織中SAR分布曲線如圖9所示。在圖9中，可見在如此貼近人體的情況下SAR峰值僅在1.06W/kg左右，且在大部分區(qū)域里低于0.4W/kg，遠(yuǎn)低于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的2W/kg，證明DGS天線兼顧了超低剖面及人體輻射安全，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值[25-27]。

圖9 DGS天線的SAR仿真曲線

5 結(jié)論

經(jīng)過仿真與實(shí)驗(yàn)，本文所提出的新型的具有周期性DGS的可穿戴天線具有以下特點(diǎn)：達(dá)到了0.5mm的超低剖面，相對(duì)其它可穿戴天線具有很大的優(yōu)勢；使用微帶線饋電，規(guī)避了同軸及縫隙饋電方式對(duì)天線厚度的要求；后向輻射足夠小，周期性的DGS對(duì)電磁波起到了足夠的屏蔽作用，保證了人體安全；頻率在2.4GHz左右，應(yīng)用范圍較廣；天線增益較高，覆蓋面較大，可通信范圍也隨之加大。天線在具有超低剖面的同時(shí)，盡管與結(jié)構(gòu)最簡單的傳統(tǒng)微帶天線尺寸一致，但除了在增益，前后比，最大方向性系數(shù)等方面并不弱于傳統(tǒng)微帶天線外，還具有更好的方向性和帶寬，分別提升了22%及14%以上，充分說明了周期性DGS的重要作用。另外，天線的設(shè)計(jì)加工也并不復(fù)雜，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，事實(shí)證明本天線可廣泛應(yīng)用于各種可穿戴設(shè)備及可穿戴天線中。

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(責(zé)任編輯：宋金寶)

ANovelSuper-low-profilePeriodicDefectedGroundStructureWearableAntenna

DUAN Zhong-hang，LU Gui-zhen，LIU Xiao-lan

(School of Information Engineering，Communication University of China，Beijing 100024，China )

To meet application requirements，wearable antenna is required to have low profile and stingy backward radiation. Microstrip antenna has a minute radiation to its back，but the radiation performances decrease quite a lot when its thickness is reduced. In order to meet the wearable antenna’s needs on the performance and thickness synchronously，a microstrip antenna of super-low-profile(0.5mm)using the periodic defected ground structure on was proposed. The new type of periodic structure was placed under the radiation aperture of microstrip antenna，obtained both super-low-profile，better radiation performances and low backward radiation. Simulated and experimental results show that this kind of defected ground structure has a significant improvement on the performances of antenna，and more safety to human body.

low profile antenna；periodic structure；wearable antenna；defected ground structure

TN828.6

A

1673-4793(2017)05-0013-08

2017-06-27

段中航(1989-)，男(土家族)，湖北恩施人，中國傳媒大學(xué)博士研究生.E-mail：duanzhonghang@cuc.edu.cn