應(yīng)用于體域網(wǎng)的可穿戴天線研究進(jìn)展

張靚韞，楊曙輝，逯貴禎，王文松，Yinchao Chen

（1.中國(guó)傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100024；2.南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，新加坡639798；3.南卡羅來(lái)納大學(xué)電氣工程系，美國(guó)哥倫比亞SC29208）

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的日益進(jìn)步，萬(wàn)物互聯(lián)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，給人們的生活帶來(lái)了極大便利。無(wú)線體域網(wǎng)作為促進(jìn)人與物信息交流的重要支撐，逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、軍事活動(dòng)、日常生活以及休閑娛樂(lè)等方面[5]。各類(lèi)穿戴式設(shè)備隨體域網(wǎng)通信系統(tǒng)的快速發(fā)展不斷涌現(xiàn)，可穿戴天線作為這些設(shè)備傳輸無(wú)線信號(hào)的關(guān)鍵器件對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量起著決定性作用。

人體是一個(gè)龐大且復(fù)雜的電磁系統(tǒng)，在外加磁場(chǎng)作用下會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的電磁特性，而且天線在人體活動(dòng)下可能會(huì)變形彎曲，其性能也會(huì)隨之變化。因此可穿戴天線的設(shè)計(jì)不僅要求天線適應(yīng)可穿戴環(huán)境，而且要具有良好的輻射性能，比如低比吸收率、高增益、低剖面的特點(diǎn)。針對(duì)體域網(wǎng)不同的通信方式，可穿戴天線在結(jié)構(gòu)、性能、尺寸等方面有不同的要求。對(duì)于體表通信方式，電磁波主要沿人體表面?zhèn)鞑?，要求天線具有極化方向垂直于體表的全向輻射特性；對(duì)于體外通信，則要求天線最大輻射方向垂直于體表，即需要寬邊輻射方向圖；對(duì)于體內(nèi)通信，要考慮生物相容性，即將天線放于人體內(nèi)會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生什么影響以及人體是否能適應(yīng)天線的放置。

本文將對(duì)體域網(wǎng)應(yīng)用，可穿戴天線性能指標(biāo)，及研究進(jìn)展進(jìn)行說(shuō)明。

2 體域網(wǎng)應(yīng)用

無(wú)線體域網(wǎng)是指人體周?chē)鸁o(wú)線設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，包括體外通信[32][38][55]，體表通信[50][51]和體內(nèi)通信[41]-[44]，可以應(yīng)用在醫(yī)療保健領(lǐng)域，傳感器通過(guò)無(wú)線體域網(wǎng)將監(jiān)測(cè)到的血壓、溫度、心跳等人體生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療監(jiān)控設(shè)備上，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可以用于乳腺癌檢測(cè)、內(nèi)窺鏡檢查等[41]；應(yīng)用在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域，士兵穿戴的電子感應(yīng)設(shè)備通過(guò)體域網(wǎng)可以實(shí)時(shí)定位士兵位置，向士兵傳達(dá)軍事信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)士兵的身體情況，并及時(shí)作出反饋，提高作戰(zhàn)效率，以及進(jìn)行火災(zāi)檢測(cè)等[12]；在生活方面，智能手環(huán)、智能手表、眼鏡等可穿戴設(shè)備可以監(jiān)測(cè)用戶(hù)在跑步等健身活動(dòng)中的心率，運(yùn)動(dòng)里程，提升用戶(hù)體驗(yàn)，此外還可以將天線集成到夾克、鞋子、腰帶、雨衣和頭盔等系統(tǒng)中通過(guò)人體中心網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備，進(jìn)行通信[9][10][19][34]。在商業(yè)領(lǐng)域，可以進(jìn)行無(wú)線交易，使交易過(guò)程更加方便迅速[1]-[4]。

針對(duì)以上不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)可穿戴天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)不同。對(duì)于主要應(yīng)用在醫(yī)療系統(tǒng)的可植入式天線，除了滿(mǎn)足阻抗帶寬要求外，生物相容性是必須考慮的因素，一般在天線外面加一個(gè)覆蓋層將天線包裹起來(lái)使其不受人體組織的影響。放置在一些可穿戴設(shè)備（如手表、眼鏡等）中的天線要設(shè)計(jì)成小型化，以便集成到設(shè)備中。集成到衣物上的天線則要求天線能夠與人體共形，因此較多選擇柔性材料作為襯底，同時(shí)還要研究天線彎曲或褶皺對(duì)回波損耗、方向圖及增益效率的影響，進(jìn)而說(shuō)明人體活動(dòng)是否會(huì)造成天線性能惡化。此外，對(duì)于可穿戴天線而言，比吸收率Specific Absorption Ratio（SAR）是天線設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的指標(biāo)，它表征人體組織吸收電磁輻射能量的多少。

3 可穿戴天線性能指標(biāo)

3.1 比吸收率（SAR）

天線輻射出來(lái)的部分能量會(huì)被人體吸收，超過(guò)一定限值會(huì)對(duì)人體健康造成威脅，用比吸收率可以評(píng)估人體組織吸收電磁能量的多少。比吸收率具體是指單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收的電磁輻射能量。IEEE 國(guó)際組織對(duì)比吸收率值規(guī)定為1g立方體人體組織的平均比吸收率值不得超過(guò)1.6W/Kg，或10g 立方體人體組織的平均比吸收率值要小于等于2W/Kg[5]。比吸收率計(jì)算公式如(1)所示

W表示輻射功率（單位：W），m 表示人體組織的質(zhì)量（單位：kg），ρ表示人體組織密度(單位：Kg/m3)，V表示人體組織體積(單位：m3)，t表示時(shí)間(單位：s)。當(dāng)已知人體組織上的電場(chǎng)分布時(shí)，可以用式(2)計(jì)算比吸收率值。

其中σ表示人體組織電導(dǎo)率(單位:S/m)，E表示天線輻射電磁場(chǎng)的平均電場(chǎng)強(qiáng)度(單位:V/m)。

3.2 天線效率

天線的效率是描述天線將輸入端功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的能力的參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，天線的損耗是不可避免的，天線輻射到空間的功率小于其接收到的功率，天線效率定義為輻射功率與輸入功率之比。由于可穿戴設(shè)備配置的電池質(zhì)量輕，體積小，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間的為系統(tǒng)續(xù)航，再加上可穿戴天線位于人體附近，受到人體組織的高介電常數(shù)影響，天線的效率也會(huì)受到一定影響，因此需要設(shè)計(jì)高效率的可穿戴天線[5]。

3.3 方向圖

天線的方向圖是描述天線在各個(gè)方向輻射特性的參數(shù)。通常用互相垂直的兩個(gè)平面方向圖表示立體方向圖，這兩個(gè)平面一般是天線最大輻射方向的面，分別為E面和H 面。E面是平行于電場(chǎng)矢量，且通過(guò)天線最大的輻射方向的面，而H 面是指平行于磁場(chǎng)矢量且通過(guò)天線最大的輻射方向的面。邊界不一致性使得交叉極化分量無(wú)法消除，因此設(shè)計(jì)的天線交叉極化越小越好，交叉極化越小，兩路信號(hào)的相關(guān)性越小，極化效果越好，主極化和交叉極化可以從方向圖中得到。對(duì)于可穿戴天線，為減小天線輻射對(duì)人體的影響，要求天線方向圖的背向輻射盡可能地小，半向全輻射模式是可穿戴天線所需要的。在天線下面放置人工磁導(dǎo)體(AMC)，電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)或高阻抗表面(HIS)可以反射電磁波，減小對(duì)人體的輻射，提高增益，形成背向增益很小的半向輻射方向圖。

4 可穿戴天線分類(lèi)及研究進(jìn)展

常見(jiàn)的天線類(lèi)型有單極子天線[21][50]，偶極子天線[11][22][30]，倒F 天線[6][7]，微帶天線[63][64]，圓形貼片天線[12][56]。按照天線性能可以分為雙極化天線[29][51]，圓極化天線[52]-[54]，多頻點(diǎn)天線[38]，超寬帶天線[55][65]，可重構(gòu)天線[57]-[62]，其中可重構(gòu)天線包括頻率可重構(gòu)[60]，方向圖可重構(gòu)[58][62]，極化可重構(gòu)[59]等。根據(jù)用途不同，可穿戴天線一般可以分為小型化剛性可穿戴天線[26]-[28]，柔性可穿戴天線[65]-[69]和可植入式天線[41]-[44]。這節(jié)將詳細(xì)介紹這三種天線的研究進(jìn)展以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作性能等。

4.1 小型化剛性可穿戴天線

小型化剛性可穿戴天線的主要類(lèi)型有小型化可穿戴天線，紐扣類(lèi)天線，眼鏡框天線，拉鏈天線和皮帶扣天線等放置在可穿戴設(shè)備上的天線。這類(lèi)天線需要保證人體穿戴的舒適性和天線性能的穩(wěn)定性。

對(duì)于小型化可穿戴天線的研究，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一款雙模螺旋倒F 按鈕天線，在低頻帶具有全向輻射方向圖可以用于體表通信，即實(shí)現(xiàn)體表多個(gè)可穿戴設(shè)備間的通信，在高頻帶形成寬邊輻射方向圖用于離體通信，即實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備與體外設(shè)備的通信。接地共面波導(dǎo)饋電方式方便用于測(cè)量比吸收率值,測(cè)得的比吸收率值為0.37 W/Kg(1g)，其缺點(diǎn)是測(cè)量效率低，分別是46.3%和69.3%。文獻(xiàn)[29]中提出的雙頻雙極化天線由兩對(duì)正交放置的偶極子天線組成(見(jiàn)圖1)，采用雙端口同軸饋電，直徑是19.5 mm，操作頻段覆蓋應(yīng)用5G 通信頻段(4.5-4.6 GHz)和WLAN 頻段(5.1-5.5 GHz)，端口隔離度低于-20 dB，交叉極化小于-10 dB。文獻(xiàn)[36]中設(shè)計(jì)了一款帶有高阻抗表面的圓形緊湊低剖面多輸入多輸出（Multi Input Multi Output,MIMO）天線，天線直徑是42.2 mm，工作在2.4-2.49 GHz，端口隔離度大于15 dB，增益大于4.2 dBi。文獻(xiàn)[38]中提出了一款半徑為9.25 mm 的圓形貼片天線，該天線具有三頻段特性，分別工作在0.867 GHz(ISM 頻段)，2.38 GHz(醫(yī)療體域網(wǎng)頻段)，5.8 GHz(無(wú)線局域網(wǎng)頻段)，全向輻射模式可以使其應(yīng)用在體外通信中。

圖1 雙頻雙極化天線[29]

這類(lèi)天線尺寸較小，因此常采用高介電常數(shù)的介質(zhì)板以提高增益。為適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景，天線向著多頻點(diǎn)/寬帶天線方向發(fā)展。MIMO 技術(shù)可以消除電磁波的多徑衰落,提高信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。因此小型化MIMO天線的研究逐漸增多。

紐扣類(lèi)天線[45]-[49]底部襯底一般為紡織材料或者導(dǎo)電布，以便整合到衣物上。Hu Xiaomu 等人提出了一種工作在2.4 GHz和5 GHz的紐扣天線[50]，如圖2所示，天線可看作圓形頂部貼片加載的單極子天線，采用同軸饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體與介質(zhì)板底層的貼片相連，外導(dǎo)體與導(dǎo)電織物連接，通孔將上層貼片與地相連，采用線性極化。該天線具有體表/體外兩種輻射模式，效率高達(dá)90%。為了研究紐扣天線的穩(wěn)定性，對(duì)天線不同傾斜狀況進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明天線的傾斜對(duì)散射參數(shù)影響不明顯，傾斜后仍能工作在目標(biāo)頻段，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的雙頻紐扣天線具有良好的魯棒性。2018 年，Chen 等人設(shè)計(jì)了一款頻率可重構(gòu)的可穿戴天線[48]，見(jiàn)圖3。通過(guò)在底部基板和頂部基板之間嵌入可重構(gòu)按鈕實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)特性，可重構(gòu)紐扣里整合了有源元件和偏置電路，頻率可重構(gòu)機(jī)制實(shí)質(zhì)上是通過(guò)改變貼片上邊緣的電抗，改變貼片的有效電長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿碾娙?。該天線在兩個(gè)工作頻段上的相對(duì)頻率調(diào)諧范圍分別為32.8%和8.8%，有效地覆蓋了2.45 GHz 和5.8 GHz 的ISM 頻段。以上天線的極化方式都是線極化，而圓極化具有以下優(yōu)點(diǎn)---圓極化天線接收端，發(fā)射端不需要進(jìn)行極化匹配，并且圓極化天線可以消除多徑衰落帶來(lái)的不利影響，可以增強(qiáng)天線的抗干擾性能。 于是，研究人員設(shè)計(jì)了幾款圓極化紐扣天線來(lái)增強(qiáng)天線的抗干擾能力。如圖4所示展現(xiàn)的是一種雙頻雙模紐扣天線結(jié)構(gòu)圖[11]，工作頻點(diǎn)為2.45 GHz 和5.8 GHz，偶極臂通過(guò)曲折細(xì)線連在一起，(d)中的短路弧線長(zhǎng)度l4等于1/4λe，其中λe是6.7 GHz 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，它決定饋電延遲線的半徑R3和寬度W3，臂到弧線連接處阻抗很高，2.45 GHz 時(shí)電流可以通過(guò)弧線，四個(gè)偶極子臂短路，形成了一個(gè)圓形單極子天線。細(xì)線L2 減小電阻，從而在2.45 GHz 處擴(kuò)大阻抗匹配。諧振模式為T(mén)M01，可以產(chǎn)生垂直線極化的全向輻射圖，用于體表通信。兩對(duì)正交的偶極子通過(guò)90度相位延遲線連接，在偶極臂上引入H形和波紋槽，進(jìn)一步提高阻抗帶寬，偶極臂末端的電容用于調(diào)節(jié)阻抗匹配，從而得到右旋圓極化波，用于體外通信。該天線在低頻處實(shí)現(xiàn)線極化，在高頻處實(shí)現(xiàn)圓極化，增益分別為2.2 dBi 和8.6 dBi。文獻(xiàn)[46]利用彩色樹(shù)脂塑料紐扣設(shè)計(jì)了一種高隔離度的MIMO 紐扣天線，端口隔離度高于21 dB。紐扣天線一般采用同軸饋電，同軸線一方面作為饋源，一方面可以作為天線的支撐，相對(duì)于柔性可穿戴天線來(lái)說(shuō)紐扣天線的剖面較高，但尺寸較小，仍滿(mǎn)足可穿戴要求。

圖2 應(yīng)用于WLAN的雙頻紐扣天線[50]

圖3 頻率可重構(gòu)的紐扣天線[48]

圖4 雙頻雙模紐扣天線[11]

可穿戴設(shè)備中的天線有眼鏡框天線[8][9]，拉鏈天線[10]，鞋帶天線[19]，皮帶扣天線[15][34],應(yīng)用于助聽(tīng)器上的外殼天線[28]等。文獻(xiàn)[9]提出的是一款眼鏡框天線，天線的輻射結(jié)構(gòu)是金屬眼鏡框，饋電位于眼鏡框中心，結(jié)構(gòu)如圖5 所示，它工作在5.8 GHz,帶寬為5.42-6.27 GHz,包含ISM 波段,應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)中，眼鏡框天線用戶(hù)可以訪問(wèn)智能車(chē)輛和智能家居中設(shè)備的信息，增益是8.18 dBi,比吸收率值為1.56 W/Kg。鏡片作為眼鏡中必不可少的一部分，鏡片材料對(duì)反射系數(shù)也有一定影響，采用玻璃透鏡，有機(jī)玻璃透鏡，樹(shù)脂透鏡可以發(fā)現(xiàn)諧振點(diǎn)隨著透鏡介電常數(shù)的減小而右移，因此選擇合適的透鏡材料也是使天線性能發(fā)揮到最好的因素之一。皮帶扣天線[15]可以應(yīng)用于智能腰帶系統(tǒng)，建立與其他傳感器的通信鏈路來(lái)追蹤人體的運(yùn)動(dòng)。在皮帶背面設(shè)計(jì)一個(gè)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的紡織接地層，既有利于改善天線輻射特性還便于集成到皮帶上。Lin等利用衣服和包上的拉鏈作為輻射體,設(shè)計(jì)了一款拉鏈天線[10],結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，其工作頻點(diǎn)為2.17 GHz 和2.44 GHz。不同饋電位置對(duì)諧振點(diǎn)位置影響較大，可以通過(guò)在拉鏈不同位置饋電使天線工作在多個(gè)頻率上，通過(guò)拉開(kāi)或合上拉鏈可以獲得不同模式的輻射方向圖，實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)。拉鏈不同開(kāi)合程度得到的最小增益是3.8 dBi，輻射效率在90%以上。對(duì)于體外通信，拉鏈天線是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)，不需要改變或破壞傳統(tǒng)拉鏈結(jié)構(gòu)。該天線可以用于以人體為中心的網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)，智能家居，環(huán)境監(jiān)測(cè)，定位導(dǎo)航等。

圖5 眼鏡框架天線[9]

圖6 拉鏈天線[10]

由以上天線的進(jìn)展可以看出對(duì)可重構(gòu)性能的研究逐漸增多，原因在于可重構(gòu)天線可以通過(guò)一些射頻器件控制不同的天線枝節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線電參數(shù)的控制，使天線能夠應(yīng)用到更多的場(chǎng)景中。例如通過(guò)加載PIN 二極管和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，加載可變電容/電感結(jié)構(gòu)或利用多端口輸入改變饋電形式來(lái)實(shí)現(xiàn)天線可重構(gòu)特性[70]。

4.2 柔性可穿戴天線

柔性可穿戴天線最大的特點(diǎn)是介質(zhì)板采用的都是易彎折的柔性材料，如牛仔布料，紡織布，毛氈材料，聚酰亞胺材料等。但是這增大了天線制造的復(fù)雜度，而傳統(tǒng)的焊接方法不能直接將輻射貼片與介質(zhì)板連接起來(lái)，因此要采用其它的手段，常用的方法是把輻射貼片用銅箔剪裁好，然后使用粘合劑將其與柔性材料連接起來(lái)。如果輻射貼片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，那么用銅箔剪裁就會(huì)有一定弊端。此外，饋電處的焊接工藝會(huì)對(duì)天線性能造成影響。

柔性可穿戴天線的剖面較低，尺寸一般較大，但是天線良好的彎曲特性使其能夠與人體共形，從而可以忽略尺寸的影響，通常利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)/人工磁導(dǎo)體/高阻抗表面等結(jié)構(gòu)減小背向輻射。2017 年，Lee 等人設(shè)計(jì)了一款集成到軍事貝雷帽中的雙頻段天線[12]，天線結(jié)構(gòu)如圖7 所示。短截貼片可以應(yīng)用在室外環(huán)境的GPS 定位中，環(huán)形貼片工作在TM41 高階諧振模式,具有單極子輻射特性,適用于室內(nèi)定位。其諧振頻點(diǎn)為915 MHz 和1.575 GHz,覆蓋了帶寬902-928 MHz ISM 頻段和1.563-1.587 GHz L1 GPS 頻段。利用柔性材料將天線集成到貝雷帽中能夠很好的實(shí)現(xiàn)隱蔽效果，有利于軍事作戰(zhàn)。

圖7 軍事貝雷帽天線[12]

Simorangkir 等人用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基底設(shè)計(jì)了一款超寬帶可穿戴天線[65]，基底的背面用一個(gè)全地板可彎曲結(jié)構(gòu)來(lái)減小比吸收率，天線的輻射結(jié)構(gòu)是帶有兩個(gè)弧形的簡(jiǎn)單微帶天線，見(jiàn)圖8，它工作在3.1-10.6 GHz，駐波比小于2.2，增益是4.53 dBi，輸入功率是0.5 W 時(shí)，比吸收率值小于2 W/kg，符合FCC要求。

圖8 超寬帶可穿戴天線[65]

2018 年，ashyap 等人提出了一種帶有電磁帶隙結(jié)構(gòu)的高效率的共面波導(dǎo)天線[14]，如圖9 所示。它工作在2.4 GHz，帶寬為8.3%，應(yīng)用在醫(yī)療體域網(wǎng)中。介質(zhì)板采用牛仔布料的柔性襯底，電磁帶隙結(jié)構(gòu)與天線間隔1.7 mm,且和介質(zhì)板之間用泡沫填充，和地平面之間用柔性襯底填充，泡沫厚度為1 mm,介質(zhì)板厚度是0.7 mm。與沒(méi)有加電磁帶隙結(jié)構(gòu)的單獨(dú)天線對(duì)比，前后比提高了13 dB，增益提高6.55 dBi，SAR 值減小了95%，保持高度等參數(shù)不變，將理想電導(dǎo)體平面與電磁帶隙結(jié)構(gòu)分別作為反射面對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反射面為理想電導(dǎo)體時(shí)，反射系數(shù)的值在-10 dB 以上，天線不能在2.4 GHz 處正常諧振，因此帶有電磁帶隙結(jié)構(gòu)的天線性能最好。文獻(xiàn)[23]研究了一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的低剖面偶極子天線，將天線放到人體模型上時(shí)，帶有人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的天線與單獨(dú)偶極子天線相比，反射系數(shù)的仿真結(jié)果變化較小，而且加有人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的天線背向輻射減小，增益增大。這說(shuō)明結(jié)合人工磁導(dǎo)體，電磁帶隙等周期性結(jié)構(gòu)可以改善天線性能，如提高增益，減小比吸收率等[14]-[18]。

圖9 帶有電磁帶隙結(jié)構(gòu)的高效率的共面波導(dǎo)天線實(shí)物圖[14]

Biswas 等人提出了一種緊湊型MIMO 可穿戴天線[25]，采用牛仔布料作為介質(zhì)板，輻射貼片為兩個(gè)緊鄰的環(huán)形結(jié)構(gòu)，在雙元件多輸入多輸出天線背面的中間位置放置“8”字形短截線，進(jìn)一步改善端口隔離度，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖10。文獻(xiàn)[59]-[61]提出的是柔性可重構(gòu)天線，通過(guò)PIN 管的開(kāi)關(guān)特性改變電流路徑，實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)和極化可重構(gòu)，其中文獻(xiàn)[61]實(shí)現(xiàn)的是頻率可重構(gòu)和方向圖可重構(gòu)，通過(guò)改變天線諧振結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度而改變頻率和方向圖。2019年Ali等人提出了一種共面波導(dǎo)饋電的柔性圓極化可穿戴天線[75]，天線尺寸為20 mmx15 mm，頻點(diǎn)為5.2 GHz，3 dB 軸比帶寬是1.24%，天線尺寸對(duì)3 dB 軸比帶寬有一定限制，在不影響穿戴要求的情況下，可以適當(dāng)增大天線尺寸以提高軸比帶寬。

圖10 緊湊型MIMO可穿戴天線[25]

柔性可穿戴天線也是向著多頻點(diǎn)/寬頻帶，高增益，高效率，MIMO，可重構(gòu)的方向研究，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于天線與人體共形后，應(yīng)將人體運(yùn)動(dòng)和周?chē)h(huán)境的影響降到最低，使各方面的性能指標(biāo)依然滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，保持魯棒性。

4.3 可植入式天線

可植入式天線被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，將天線植入人體內(nèi)觀測(cè)人體生命特征參數(shù)的變化，對(duì)醫(yī)療事業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn)。

Wang 等人提出了一款應(yīng)用于無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡檢查的可植入式天線[41]，該天線的操作頻帶可以覆蓋醫(yī)療設(shè)備無(wú)線電通信服務(wù)頻段(401-406 MHz)，實(shí)現(xiàn)的最大增益為-31.5 dBi，天線具有全向輻射模式，無(wú)論膠囊的位置和方向如何，接收器都能夠檢測(cè)到發(fā)射信號(hào)。輸入功率低于1.7 mW 可以保證SAR值滿(mǎn)足FCC標(biāo)準(zhǔn)。該天線的優(yōu)點(diǎn)在于：天線和膠囊的外壁共形且具有超寬帶特性(相對(duì)帶寬為134.2%)，這使得它可以克服當(dāng)膠囊通過(guò)消化道內(nèi)的不同組織時(shí)發(fā)生的失諧影響，并且仍然支持高數(shù)據(jù)速率傳輸，其天線結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 超寬帶膠囊內(nèi)窺鏡可植入式天線[41]

文獻(xiàn)[42]中提出的小型圓極化可植入天線由兩層介質(zhì)板，貼片和地板組成，采用高介電常數(shù)的介質(zhì)板及加載交指電容，實(shí)現(xiàn)天線的小型化，開(kāi)槽引入微擾結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓極化。文獻(xiàn)[44]中的天線結(jié)構(gòu)如圖12 所示，環(huán)形環(huán)上的兩個(gè)短截線形成圓極化，環(huán)上的方形槽可以使天線小型化，中間圓形貼片上的Z 形槽是用來(lái)提高阻抗匹配和改善軸比帶寬的，最后獲得的阻抗帶寬是8.3%，軸比帶寬是2.49%。為滿(mǎn)足比吸收率值的限制，發(fā)射功率應(yīng)低于2.18 mW。為減輕植入式天線對(duì)人體造成的不適性，設(shè)計(jì)了一款柔性縫隙型可植入天線[43]，襯底采用的是20μm 厚的聚酰亞胺柔性材料，天線在肌肉，皮膚，小腸和胃等組織中都能覆蓋文獻(xiàn)中要求的頻段，最大增益為-22.7dBi。質(zhì)量輕帶寬寬的特性使其成為植入醫(yī)療設(shè)備天線中的選擇之一。

圖12 小型圓極化可植入式微帶天線[44]

可植入式天線有效口徑很小，而增益一般都是負(fù)值。為了減小天線進(jìn)入人體后，不同組織對(duì)它的影響，需要在天線外部增加一個(gè)覆蓋層，通過(guò)手術(shù)的方式將天線放到人體內(nèi)。由于人體的移動(dòng)，建立穩(wěn)定的通信鏈路是至關(guān)重要的，圓極化波具有抗多徑效應(yīng)，通信角度的改變不會(huì)導(dǎo)致極化失配，因此可植入式天線更多的采用的是圓極化模式[44]。

可植入式天線的類(lèi)型還包括小型化MIMO天線和可重構(gòu)式天線。應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備無(wú)線電服務(wù)頻段(401-406 MHz)的雙元件小型化可植入式單極子天線[71]的輻射貼片和地面均采用的螺旋線結(jié)構(gòu)，減小了天線尺寸，在兩個(gè)輻射貼片之間增添三個(gè)折疊條可以提高天線間的隔離度，其值達(dá)到-26 dB。極化可重構(gòu)倒F天線[72]工作在2.45 GHz，兩組正交的PIN二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以調(diào)節(jié)天線的極化方式，接地層附近刻蝕了兩個(gè)DC焊盤(pán)和兩個(gè)電感作為射頻扼流圈給PIN二極管提供偏置電壓。方向圖可重構(gòu)植入式單極子天線[73]的介質(zhì)板上下層金屬通過(guò)一個(gè)短路柱連接，在短路柱的附近有兩個(gè)開(kāi)關(guān)控制電流流向，從而改變輻射方向圖。

5 總結(jié)

由于可穿戴天線的應(yīng)用場(chǎng)景特殊，放置于人體上或者人體附近，這樣對(duì)天線的比吸收率有一定要求。考慮到人體的有損特性以及人的活動(dòng)，周?chē)h(huán)境如濕度、溫度等因素的影響，所設(shè)計(jì)的可穿戴天線在彎曲或者褶皺的情況下，其性能依然穩(wěn)定。針對(duì)體域網(wǎng)中具體的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)的可穿戴天線的諧振點(diǎn)，極化方式和輻射模式均有不同要求。圓極化天線接收線極化天線信號(hào)時(shí)，線極化天線可以任意擺放，這使得圓極化模式成為研究熱點(diǎn)。加載射頻器件可以實(shí)現(xiàn)天線的可重構(gòu)，加載多個(gè)諧振結(jié)構(gòu)形成多頻或?qū)拵Э纱┐魈炀€。通過(guò)結(jié)合電磁帶隙，人工磁導(dǎo)體等周期性結(jié)構(gòu)提高天線增益，減小背向輻射，降低比吸收率。利用MIMO 技術(shù)減小信號(hào)多徑衰落，提高分集增益，增強(qiáng)傳輸可靠性和抗干擾能力。利用牛仔布，紡織布等易于與衣物集成的材料做襯底可以使天線更好的與人體共形，增強(qiáng)用戶(hù)的舒適感，在軍事領(lǐng)域中，還有利于天線的隱藏。小型化剛性可穿戴天線因?yàn)轶w積小，便于佩戴在人體上，且具有魯棒性，其研究也備受關(guān)注?？芍踩胧教炀€的設(shè)計(jì)除了要考慮以上問(wèn)題，還要考慮生物相容性。

未來(lái)的可穿戴天線將向著更加時(shí)尚的外觀、體積小、輕薄、便于穿戴，用戶(hù)舒適感，多頻或超寬帶等性能以適應(yīng)多種工作場(chǎng)景，可重構(gòu)，降低比吸收率的方向發(fā)展。隨著科技的不斷進(jìn)步，醫(yī)療系統(tǒng)的不斷完善使得可植入式天線成為研究重點(diǎn)，將天線植入到人體內(nèi)進(jìn)行醫(yī)療檢測(cè)對(duì)患者來(lái)說(shuō)是一個(gè)福音。