可穿戴寬帶圓極化天線研究綜述

張純，楊曙輝*，陳迎潮

（1.中國傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100024；2.南卡羅來納大學(xué)電氣工程系，哥倫比亞 SC29208）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展讓體域網(wǎng)的概念進(jìn)入人們的視野，可穿戴天線隨著可穿戴設(shè)備在市場的推廣和熱銷成為了天線研究的一個熱點(diǎn)?？纱┐魈炀€可以應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)和軍事等方面。無線體域網(wǎng)發(fā)展于無線個域網(wǎng)，是一種以人為核心的無線通信，由置于人體周圍、體表以及體內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和一個中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。這些傳感器設(shè)備可以通過對人體的體溫、心率等重要生理參數(shù)或者一些周圍的溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行感知和采集,同時無線傳輸給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)在接收到這些信息后通過WiFi或者移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器（如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等）供專業(yè)人員進(jìn)行后續(xù)處理［1］［2］。無線體域網(wǎng)系統(tǒng)概念圖如圖1 所示。

圖1 無線體域網(wǎng)系統(tǒng)概念圖［3］

無線體域網(wǎng)可以通過幾個分支傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作，最后通過中心節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一將信息傳輸給終端系統(tǒng)。分支節(jié)點(diǎn)可以直接相互通信，若整個體域網(wǎng)只采用一個設(shè)備工作，此設(shè)備可作中心節(jié)點(diǎn)實(shí)時向移動設(shè)備反饋信息和向終端系統(tǒng)進(jìn)行通信。

無線體域網(wǎng)的提出讓可穿戴設(shè)備吸引了更多目光?？纱┐髟O(shè)備中的天線作為無線通信中的橋梁，也受到了學(xué)者們極大的關(guān)注。其中應(yīng)用于體表的可穿戴天線是本文的研究重點(diǎn)。人體復(fù)雜的電磁特性和特殊的應(yīng)用環(huán)境要求可穿戴天線要滿足小尺寸、低剖面、強(qiáng)的彎曲魯棒性能和對人體輻射的健康標(biāo)準(zhǔn)（即低比吸收率）等要求［4］。而為了研究出滿足以上要求且高性能的天線，可穿戴天線的研究集中于柔性、小型化、寬帶圓極化等。

柔性天線：由于應(yīng)用于體表的可穿戴天線通常要求能夠減少給穿戴者帶來的不適感。而柔性天線大多具備低剖面和輕量級的特點(diǎn)，能夠解決穿戴不適這個問題。目前研究者提出的柔性天線通常是利用襯底材料實(shí)現(xiàn)，一般采用的襯底材料有兩大類：一類利用導(dǎo)電織物材料，另一類為印刷天線中的柔性基板［5］。

小型化：為了增強(qiáng)天線的易穿戴性，可穿戴天線通常要求小型化。不僅僅是因?yàn)橛糜隗w表的天線可用的空間有限，尤其是部分用于體內(nèi)的天線，設(shè)計(jì)的第一要求就是小型化。

寬帶圓極化：相較于線極化，圓極化天線有抗干擾能力強(qiáng)、良好的多徑反射能力和極化易匹配等優(yōu)點(diǎn)。寬帶圓極化能夠保證天線在圓極化中有更寬的工作帶寬，應(yīng)用范圍更廣［6］。

人體的存在及其運(yùn)動增加了極化損失因子，降低了通信的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。此外可穿戴天線放置在人體不同位置時，其性能也會有所差異。同時天線對人體的輻射也是需要關(guān)注的，需要確保SAR值低于國際標(biāo)準(zhǔn)。

本文將對可穿戴天線的基本參數(shù)和幾類相關(guān)的天線類型進(jìn)行介紹。

2 可穿戴寬帶圓極化天線的性能

可穿戴天線的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能，需要盡可能實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化、低SAR值等要求。了解參數(shù)的具體含義，才能更好在設(shè)計(jì)天線中進(jìn)行實(shí)踐。

2.1 天線的電參數(shù)

（1）天線的工作帶寬

一般是指滿足天線工作指標(biāo)的可用頻段，可以用BW來表示。工程上一般規(guī)定為 | |S11< -10dB的范圍即為其輸入阻抗帶寬。一般可以表示為絕對帶寬BWab和相對帶寬BWre。

其中fh和fl分別為對應(yīng)的高頻和低頻。

（2）極化

極化指的是天線在最大輻射方向上電場矢量隨時間的變化方向的特性。常見的極化方式可以分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化：電場強(qiáng)度隨時間變化的方向?yàn)橹本€。圓極化：電場矢量在自由空間中隨時間變化軌跡為圓形，即電場分量的振幅相同，相位相差90°。根據(jù)運(yùn)動方向的不同，可以分為左旋圓極化和右旋圓極化。圓極化相對線極化具備抗干擾性更強(qiáng)、可以減少交叉極化等優(yōu)點(diǎn)。

（3）比吸收率（SAR）

比吸收率是指進(jìn)入人體被吸收的電磁波功率與吸收部分組織質(zhì)量的比重，也可以說是單位時間內(nèi)被單位質(zhì)量的人體組織所吸收的電磁波能量，單位通常為W/kg或者mW/g［7］。

其中，σ為人體特定組織對應(yīng)的電導(dǎo)率，單位為S/m,而ρ為人體對應(yīng)組織的密度，單位為 kg/m3，E為電場強(qiáng)度，單位為V/m。

國際上廣泛使用和認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種，分別是國際非電離委員會要求的：10g 組織的SAR 值要小于 2W/kg［8］；美國聯(lián)邦通信委員會要求的：1g 組織的SAR值不得大于1.6W/kg［9］。

3 四類可穿戴寬帶圓極化天線

3.1 可穿戴天線

常見的可穿戴天線基本可以區(qū)分為嵌入式天線和柔性天線。嵌入式天線一般體積較小，易于集成在可穿戴設(shè)備中但不一定具備柔性。而柔性天線一般采用織物作為襯底或者利用導(dǎo)電的紡織材料制作天線且直接集成在衣物中，此類天線容易與衣服貼合，保證了天線的易穿戴性。紡織材料的缺點(diǎn)是，由于與身體運(yùn)動和變化相關(guān)的結(jié)構(gòu)變形，它們的電導(dǎo)率低，天線特性容易惡化。同時由于織物材料介電常數(shù)的不穩(wěn)定性造成了此類天線研究的復(fù)雜性［10］。

嵌入式天線中除了體積較小直接集成于設(shè)備中，也有依據(jù)日常生活中常穿戴的物品作為原型設(shè)計(jì)天線，此類天線直接降低了天線占用的空間。類似日常必需的皮帶［11］［?13］、眼鏡［14］、手提包拉鏈［15］、鞋帶［16］、手表［17］和口罩［18］［19］等都成為了研究人員制作可穿戴天線的原型。

以皮帶天線為例，如圖2所示，西安交通利物浦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種將EBG（電磁帶隙結(jié)構(gòu)）耦合于接地層用于抑制天線向人體輻射的皮帶天線。通過設(shè)計(jì)出最優(yōu)的EBG 結(jié)構(gòu)，用于天線上來降低SAR值，此帶式天線在0.5W 輸入功率下實(shí)現(xiàn)了最大增益為 7.94dBi和最小比吸收率 0.04W/kg［11］。

圖2 基于EBG結(jié)構(gòu)的可穿戴天線結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

中國傳媒大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過在皮帶上等距分布三個相同的天線單元，研究出一種三頻段雙極化的皮帶天線，如圖3 所示。同時通過在皮帶背面安裝吸波材料來降低天線的 SAR 值，與上述的天線［11］［12］不同，它利用天線的皮革作為襯底，在皮革上設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)，保證天線的柔性增加了天線易穿戴性，輻射效率達(dá)到了46.1-80.1%，同時可以工作于2.37-2.7GHz，2.8-3.22 GHz和5.41-6.03 GHz 三個頻段［13］。

圖3 柔性三頻雙極化MIMO天線的單元圖及實(shí)物圖

相較于嵌入式天線，以柔性織物作為襯底或者以導(dǎo)電織物作為天線制造材料的天線［20］-［22］在可穿戴天線的研究領(lǐng)域中也是一個熱點(diǎn)方向。例如以口罩作為研究物［18］-［20］，設(shè)計(jì)口罩天線，如圖4所示。通過把醫(yī)用外科口罩作為介質(zhì)基板，利用導(dǎo)電紗將設(shè)計(jì)完成的射頻標(biāo)簽紡織在口罩上制成天線,可達(dá)到的增益為1.09dBi［18］。

圖4 織物口罩天線結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

如圖5 所示，利用Rogers 5880 作為介質(zhì)基板，制造一種輕量級的傳感器嵌入口罩內(nèi)部，整體天線由在中心頻率為1.5GHz 的彎折線天線、3GHz 的倒F 天線以及小型倍頻器組成［20］。同樣都是應(yīng)用于口罩的可穿戴天線，一種是以導(dǎo)電織物作為制作材料的柔性天線，另一種是以彎折性的印制板為材料設(shè)計(jì)的嵌入式天線。不同的設(shè)計(jì)思路，都實(shí)現(xiàn)了比較優(yōu)越的性能。

圖5 嵌入式傳感器口罩天線實(shí)物圖

通過直接設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)，將天線直接耦合至軍用貝雷帽［21］、手套［22］等穿戴設(shè)備中，如圖 6 所示。由于穿戴衣物等自身的柔性，再利用導(dǎo)電織物作為材料來制作天線，可以設(shè)計(jì)出完美的柔性天線［23］-［26］。無論柔性天線還是嵌入式天線，滿足人體工學(xué)設(shè)計(jì)，可以保證穿戴時使用者的舒適度。尤其是以日常穿戴必需的物件作為設(shè)計(jì)模型，直接減少了可穿戴天線的放置空間。

圖6 嵌入式貝雷帽天線與手套天線實(shí)物圖

3.2 寬帶圓極化天線

上述的可穿戴天線僅僅從易穿戴性出發(fā)，大多都是線極化天線。傳統(tǒng)線極化天線存在抗干擾能力差、帶寬窄、尺寸大等問題，因此寬帶圓極化天線在可穿戴的研究應(yīng)用中更受研究人員的青睞。

圓極化天線通常通過改變天線結(jié)構(gòu)、增加寄生貼片和調(diào)整饋電結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)圓極化［27］。小型單饋電圓極化微帶天線由于饋送結(jié)構(gòu)簡單，通常帶寬較窄。因此，提出了多饋電圓極化天線來有效地提高工作帶寬，通過兩個微帶饋電端口來實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化。

如圖7所示，該天線由一個U型槽實(shí)現(xiàn)寬帶CP輻射和兩個微帶饋電端口組成在同一頻段內(nèi)同時實(shí)現(xiàn)左旋和右旋圓極化［28］。最后達(dá)到的阻抗帶寬覆蓋1.80-6.61GHz，且軸比帶寬達(dá)到了110.5%（1.83-6.35 GHz），實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化。但是在可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中，考慮到可穿戴天線的應(yīng)用場景，單饋電的方式更適合可穿戴天線這類使用空間有限的天線。

圖7 U型槽寬帶圓極化天線仿真與實(shí)測結(jié)果圖

H.Alsariera 等設(shè)計(jì)了一個p 形的單極子貼片和帶有矩形地面組成的單端口饋電的寬帶圓極化單極子天線，如圖8 所示。通過對地和貼片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以及參數(shù)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化的目的。天線的尺寸相對來說較小，且該天線?10dB 的阻抗帶寬和3dB軸比帶寬分別能夠?qū)崿F(xiàn)118.5%和104.4%［29］。

圖8 P形寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu)圖及及測量仿真結(jié)果圖

不僅是通過調(diào)整饋電端口數(shù)目，實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化主要方法還是通過對貼片和接地面的形狀進(jìn)行調(diào)整，添加寄生貼片等。其他的有通過調(diào)整縫隙的結(jié)構(gòu)以及對貼片和地進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)圓極化，也有通過調(diào)整天線結(jié)構(gòu)使之形成正交模的方式來實(shí)現(xiàn)圓極化［30］-［40］。

T.T.Le設(shè)計(jì)一種縫隙寬帶圓極化天線，縫隙與打印在基板另一側(cè)的50Ω 微帶饋線接近耦合，如圖9 所示。通過調(diào)整兩個半圓形縫隙，可以實(shí)現(xiàn)兩個相鄰的圓極化模式并進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)了一個寬帶的右旋圓極化。在?10dB 以下的帶寬為3.63-9.21GHz，同時達(dá)到了74.3%的軸比帶寬4.18-9.12 GHz。與上述的雙端口寬帶圓極化［28］和單極子寬帶圓極化天線［29］相比，這是一種新的寬帶圓極化天線的設(shè)計(jì)思路［35］。

圖9 縫隙寬帶圓極化天線實(shí)物圖及測量仿真結(jié)果圖

為了調(diào)整天線獲得更寬的圓極化頻帶,在研究中可以采用特征模的分析方式對表面電流進(jìn)行分析。以上的研究方法在實(shí)際設(shè)計(jì)寬帶圓極化的過程中都可以進(jìn)行參考使用。由于此處討論的寬帶圓極化應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的天線中，因此主要關(guān)注輕量級、體積小、緊湊的寬帶圓極化天線。

3.3 可穿戴圓極化天線

如果只以實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化為目的，大部分天線尺寸較大，不適合用于可穿戴設(shè)備。為了保證天線的可穿戴性，天線需要盡可能做到低剖面。在可穿戴天線中,由于天線要求要盡可能減少對人體的影響，微帶天線具備低后瓣、高指向性的優(yōu)勢而受到眾多學(xué)者的青睞。由于小型化、寬帶圓極化、高效率是可穿戴天線的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，嘗試設(shè)計(jì)微帶圓極化天線，利用織物作為制作材料同時盡量保證天線低剖面，盡可能實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化［41］。

X.Hu提出首個具有全向輻射的圓極化按鈕天線，且利用了導(dǎo)電紡織物材料使得天線更易于與日常衣物集合，如圖10所示。它由一個按鈕、支撐軸、易彎折介質(zhì)板以及織物層和接地層組成。實(shí)物制成后直徑僅有1 cm左右，整體尺寸符合實(shí)際的按鈕尺寸。由電偶極子和三個輻射臂產(chǎn)生90°相位差來實(shí)現(xiàn)圓極化。通過調(diào)節(jié)角度和優(yōu)化半徑等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)圓極化的最優(yōu)值。相較于其他同類天線，尺寸較小增益較高，能夠?qū)崿F(xiàn)全向輻射。其中阻抗帶寬范圍為5.68-5.91 GHz，圓極化軸比帶寬范圍為5.72-5.91 GHz，增益能達(dá)到2.1dBiC。在小尺寸的天線設(shè)計(jì)中，能保證增益符合要求［42］。

圖10 圓極化按鈕天線實(shí)物圖與電流分布圖

M.Kanagasabai 利用日常衣物中常見的牛仔織物作為基底來設(shè)計(jì)圓極化天線，整體天線尺寸為25×30×1.4mm3，如圖11 所示。在尺寸較小的同時也保證了增益范圍在2.3-4.4 dBi。在設(shè)計(jì)中由于在不同頻率下牛仔織物的介電常數(shù)和損耗系數(shù)有所波動，增加天線的設(shè)計(jì)難度。設(shè)計(jì)中利用單饋法，通過改進(jìn)八角條形單極子天線和不對稱的L 形地面來實(shí)現(xiàn)初步圓極化。再利用交叉的十字短棒和截?cái)嗖蹃硗貙捿S比，實(shí)現(xiàn)了超寬帶圓極化。天線實(shí)現(xiàn)了阻抗帶寬范圍為3.09 ?11 GHz，軸比范圍為 3.4-10 GHz。小型化單饋織物天線通過合理的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超寬帶圓極化，同時保證SAR值低于國際標(biāo)準(zhǔn)［43］。

圖11 超寬帶圓極化織物天線實(shí)物圖與及仿真實(shí)測結(jié)果圖

S.Kumar所設(shè)計(jì)的MIMO天線由兩個鐮刀狀貼片和一個共同的地平面組成，如圖12所示。每個天線元件由一個微帶線饋電激發(fā)，一個倒L形條是在地面上支持實(shí)現(xiàn)圓極化。天線在織物上制作，整體尺寸較小，阻抗帶寬和軸比分別能覆蓋3.6-13 GHz和5.2-7.1 GHz。由于天線在織物上制作能保證天線的柔性同時雙端口讓圓極化更易實(shí)現(xiàn)寬頻帶寬。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于雙端口相較于單端口更復(fù)雜，占用空間更大且成本更高。

圖12可穿戴織物寬帶圓極化天線實(shí)物圖與軸比實(shí)測圖

3.4 低SAR值天線

在可穿戴天線的設(shè)計(jì)中，除了實(shí)現(xiàn)可穿戴寬帶圓極化天線的設(shè)計(jì)，如何降低天線對人體的輻射，在盡可能保證天線優(yōu)異性能的前提下，實(shí)現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)以下甚至更低的SAR值成為了研究中必須考慮的問題。

目前已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)中，有通過設(shè)計(jì)金屬反射層來降低 SAR 值，也有研究人員利用 EBG 結(jié)構(gòu)［46］-［51］、AMC 結(jié)構(gòu)［52］-［56］和吸波結(jié)構(gòu)［12］等材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大幅降低SAR值。

Ubaid Ullah 提出了一個幾何上簡單和緊湊的圓極化天線，具有單向輻射特性，用于離體通信。天線結(jié)構(gòu)整體較簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的圓極化，如圖13 所示。天線的阻抗帶寬和軸比均覆蓋了5.16-6.13 GHz。同時通過在距離介質(zhì)板四分之一波長的下方加入了一個高損耗的介質(zhì)板來減少后向輻射，直接降低了天線的SAR值［45］。

圖13 可穿戴單向輻射圓極化天線實(shí)物圖及仿真結(jié)果圖

Adel 團(tuán)隊(duì)提出了一種基于電磁帶隙設(shè)計(jì)和頻率選擇表面的可穿戴織物CPW 天線，如圖14 所示。通過對EBG 的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時優(yōu)化測試來得到最佳的結(jié)構(gòu)，模擬仿真出最佳結(jié)果。添加EBG?FSS結(jié)構(gòu)后天線的SAR 值降低了95%，增益提高到6.55dBi，前后比提高了13 dB。此可穿戴天線為線極化天線，根據(jù)測量結(jié)果在保證天線大幅降低SAR值的基礎(chǔ)下，此結(jié)構(gòu)還讓天線實(shí)現(xiàn)了更好的阻抗匹配。相較于上述的天線，此天線由織物做成，具備更好的易穿戴性［47］。

圖14 可穿戴織物EBG?FSS天線實(shí)物圖及仿真結(jié)果圖

Saud 利用人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conduc?tor，AMC）設(shè)計(jì)了一種可穿戴柔性可重構(gòu)天線，天線主要由一個縫隙和一個寄生貼片組成，通過二極管的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)天線的可重構(gòu)，如圖15所示。由于縫隙和寄生貼片的工作頻率和極化不同，通過將一個雙波段人工磁導(dǎo)體（AMC）表面與天線集成實(shí)現(xiàn)了降低比吸收率（SAR)。該天線在柔性基板上設(shè)計(jì)和制造，天線可彎折保證了天線在穿戴的使用背景下的實(shí)用性［53］。

圖15 可穿戴柔性可重構(gòu)AMC天線實(shí)物圖及仿真結(jié)果圖

以上四種類型的相關(guān)天線實(shí)際上大多只是在某個方面或者某幾個方面實(shí)現(xiàn)了比較優(yōu)越的性能，但一個性能優(yōu)異的天線通常要求整體都能達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)。制作一個優(yōu)異的可穿戴天線還是需要盡可能同時滿足易穿戴小型化、強(qiáng)魯棒性、寬帶圓極化、低SAR值等要求。

4 結(jié)論

近些年萬物互聯(lián)概念的提出，通信技術(shù)的研究發(fā)展也備受矚目。人們追求電子設(shè)備的小型化、便攜化，可穿戴設(shè)備具有巨大的潛在市場。可穿戴天線作為可穿戴設(shè)備中必不可少的元件在研究中也更受關(guān)注。從線極化到圓極化，從窄帶到超寬帶，可穿戴天線逐漸發(fā)展。可穿戴寬帶圓極化天線在確保天線的柔性和穿戴性下實(shí)現(xiàn)了更加優(yōu)越的性能。未來可穿戴天線依然有很大的研究價值，而小型化、易穿戴、寬帶圓極化、低SAR值始終是一個具備優(yōu)秀性能可穿戴天線追求的目標(biāo)。除了天線設(shè)計(jì)本身，在設(shè)計(jì)中我們應(yīng)當(dāng)關(guān)注在人體活動時造成的彎折等情況對天線性能的影響，應(yīng)當(dāng)保證天線在外界干擾中仍能保持性能不變。