雙頻段體表／ 體外雙模式可穿戴天線設(shè)計(jì)

摘 要：基于特征模理論分析方法，設(shè)計(jì)了一款２． ４５、５． ８ ＧＨｚ 頻段的體表／ 體外雙模式可穿戴天線。在三角形的輻射貼片和接地面之間加載一段微帶線，在２． ４５ ＧＨｚ 引入一個(gè)具有全向輻射特性的新模式，加上三角形貼片本身在５． ８ ＧＨｚ 具有的定向輻射特性，組成了一個(gè)雙頻段雙模式可穿戴天線。天線的仿真結(jié)果表明，在低頻處實(shí)現(xiàn)全向輻射特性，阻抗帶寬為１． ６％ （２． ４５ ～ ２． ４９ ＧＨｚ），可用于體表通信模式；在高頻處具有定向輻射特性，阻抗帶寬為４． ３％ （５． ６７ ～ ５． ９２ ＧＨｚ），可用于體外通信模式。

關(guān)鍵詞：可穿戴天線；特征模分析；體表通信；體外通信

中圖分類號(hào)：ＴＮ８２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號(hào)：１００３－３１０６（２０２４）０５－１２５５－０６

０ 引言

隨著無(wú)線體域網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)可穿戴天線結(jié)構(gòu)和性能的要求越來(lái)越高，如何有效地實(shí)現(xiàn)體表通信［１］和體外通信［２］間信息的無(wú)縫傳輸至關(guān)重要，因此體表／ 體外雙模式天線成為近年的研究熱點(diǎn)。

常見的體表／ 體外雙模式可穿戴天線可以根據(jù)工作頻段分為單頻段天線和雙頻段天線。單頻段天線［３－４］常見的設(shè)計(jì)為可重構(gòu)天線和方向圖分集天線。雙頻段天線［５－１６］有２ 個(gè)工作頻段，使天線在不同工作頻段有不同的輻射方向圖，實(shí)現(xiàn)２ 種通信模式。文獻(xiàn)［５］設(shè)計(jì)了一種新型共面波導(dǎo)饋電的雙頻雙模貼片天線，用于體表／ 體外通信，該天線由帶有寄生貼片的Ｔ 形貼片、圓形貼片和共面波導(dǎo)饋線組成。

特征模理論由于僅從其結(jié)構(gòu)本身出發(fā)研究性質(zhì)，而無(wú)需考慮饋電方式的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于寬帶天線、超表面天線等的設(shè)計(jì)［１７－２０］。應(yīng)用特征模理論來(lái)對(duì)雙模式天線的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，有助于更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于２． ４５、５． ８ ＧＨｚ 雙頻段的體表／ 體外雙模式可穿戴天線。該天線首先對(duì)三角形貼片進(jìn)行特征模分析，發(fā)現(xiàn)其在５． ８ ＧＨｚ 存在特征模式具有定向輻射特性，可用于體外通信。然后，在三角形貼片與金屬地板之間添加２ 段微帶線，微帶線的兩端分別用金屬化過(guò)孔與三角形貼片和金屬地板相連，重新進(jìn)行特征模分析，發(fā)現(xiàn)其在２． ４５ ＧＨｚ 出現(xiàn)一個(gè)新的諧振模式，具有全向輻射特性，可用于體表通信。

１ 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)與模式分析

雙頻段體表／ 體外雙模式可穿戴天線結(jié)構(gòu)如圖１ 所示。該天線采用３ 層介質(zhì)基板，均采用介電常數(shù)為４． ４ 的ＦＲ４ 材料。天線上層介質(zhì)板（藍(lán)色介質(zhì)板）的上表面為三角形貼片；中間介質(zhì)板（綠色介質(zhì)板）上表面是２ 段微帶線，微帶線兩端分別通過(guò)金屬過(guò)孔與三角形貼片和金屬地板相連；下層介質(zhì)板（紫色介質(zhì)板）上表面為金屬地板，下表面是微帶饋線，饋線通過(guò)金屬過(guò)孔與天線上層介質(zhì)板中三角形貼片饋電點(diǎn)相連。天線在三角形貼片饋電點(diǎn)周圍蝕刻一圈寬度為０． １ ｍｍ 的圓形槽，增加容性電抗便于阻抗匹配。天線的具體參數(shù)如表１ 所示。

１． １ 三角形貼片特征模分析

初始的三角形天線如圖２ 所示。為了更清晰地理解該天線的輻射機(jī)理，首先對(duì)如圖２（ａ）所示的三角形貼片進(jìn)行特征模式分析，三角形貼片邊長(zhǎng)為１６ ｍｍ，介質(zhì)板采用ＦＲ４ 材質(zhì)，介電常數(shù)４． ４，厚度２． ２ ｍｍ，使用ＣＳＴ 中的多層求解器進(jìn)行仿真。圖２（ｂ）給出了三角形貼片前６ 個(gè)模式的模式顯著性曲線。在１ ～ ７ ＧＨｚ，模式１ 和模式２ 的模式顯著性曲線重合，是一對(duì)簡(jiǎn)并模式，在５． ５ ＧＨｚ 的模式顯著性為１，具有諧振特性。模式３ ～ 模式６ 的模式顯著性在頻帶內(nèi)幾乎為０，不具備諧振特性。

前２ 個(gè)模式的特征電流分布和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖３ 和圖４ 所示。模式１ 的特征電流沿三角形左側(cè)邊長(zhǎng)平行分布，越靠近左邊特征電流越集中；模式２的特征電流沿右側(cè)邊長(zhǎng)和底邊指向左邊，特征電流集中于三角形中部，２ 個(gè)特征電流相互正交，輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖都具有沿ｚ 軸定向輻射特性，可用于體外通信模式。

１． ２ 加載微帶線的三角形貼片特征模分析

１ ～ ７ ＧＨｚ 存在模式１ 和模式２ 可以生成定向的輻射方向圖用于體外通信，但是不存在可用于體表通信的全向輻射模式，為此還需要改變天線結(jié)構(gòu)，引入新的諧振模式。如圖５（ａ）所示，在三角形貼片和接地面之間添加２ 段微帶線，微帶線兩端分別與三角形貼片和金屬地板相連，微帶線長(zhǎng)度為３． ６ ｍｍ，寬度為０． ２４ ｍｍ，對(duì)新的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行特征模分析。加載微帶線的三角形貼片前６ 個(gè)模式的模式顯著性曲線如圖５（ｂ）所示。模式１ 在２． ２２ ＧＨｚ 模式顯著性數(shù)值大于０． ７，具有諧振特性。模式３ 在５． ５５ ＧＨｚ 的模式顯著性為１，具有諧振特性。模式２、模式４ ～ 模式６的模式顯著性幾乎為０，不具備諧振特性。

模式１ 和模式３ 的特征電流分布和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖６ 和圖７ 所示?？梢钥闯觯Ｊ剑?的特征電流集中于微帶線上，三角形貼片的特征電流從連接微帶線的２ 個(gè)端點(diǎn)向外分布，其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖在水平面具有全向輻射特性，可應(yīng)用于體表通信模式。模式３ 的特征電流沿ｙ 軸正向分布，其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖沿ｚ 軸定向輻射，可應(yīng)用于體外通信。

２ 天線的饋電

上文通過(guò)對(duì)雙頻段雙模式天線的特征模分析，確定了要激勵(lì)的２ 個(gè)特征模式———模式１ 和模式３。接下來(lái)，觀察圖６ 中模式１ 和模式３，選擇特征電流幅值相等的點(diǎn)饋電。饋電方式如圖１ 所示，選擇在距離三角形底邊１ ｍｍ 處作為饋電點(diǎn)，為了增加容性電抗便于阻抗匹配，在饋電點(diǎn)周圍刻蝕一圈圓形槽，同時(shí)為了加工測(cè)試方便，使用金屬化過(guò)孔與一段微帶線相連。然后對(duì)天線各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得２ 個(gè)諧振頻點(diǎn)移動(dòng)到所需的２． ４５、５． ８ ＧＨｚ，同時(shí)優(yōu)化阻抗匹配。綜合上述分析，天線最終優(yōu)化后的Ｓ１１曲線如圖８ 所示，天線優(yōu)化后的電流分布和輻射方向圖如圖９ 和圖１０ 所示，在２． ４５、５． ８ ＧＨｚ 兩個(gè)諧振點(diǎn)，天線電流和輻射方向圖與加饋電前的特征模分析一致，符合設(shè)計(jì)要求，天線具體尺寸見表１。

３ 天線的仿真結(jié)果

天線的Ｓ１１ 隨頻率變化曲線如圖１１ 所示。該天線在低頻段仿真的阻抗帶寬為１．６％ （２．４５ ～ ２．４９ ＧＨｚ），在高頻段仿真的阻抗帶寬為４．３％ （５．６７ ～５．９２ ＧＨｚ）。

天線在２． ４５、５． ８ ＧＨｚ 的歸一化輻射方向圖如圖１２ 所示，?？梢钥闯?，天線在ｘｏｚ 面上交叉極化略大，在ｘｏｙ 面上具有較好的全向輻射特性，總體來(lái)說(shuō)滿足體表通信模式的要求。在高頻段，天線具有沿ｚ 軸正向的定向輻射特性，交叉極化較小，滿足體外通信模式對(duì)天線輻射方向圖的要求。

通常使用比吸收率（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ，ＳＡＲ）來(lái)衡量單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收的電磁輻射能量。為了驗(yàn)證該雙頻段雙模式天線在可穿戴設(shè)備中使用時(shí)對(duì)人體產(chǎn)生的輻射影響，進(jìn)行了ＳＡＲ 仿真，以ＩＥＥＥ Ｃ９５． ３ 為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率為０． ５ Ｗ 時(shí)，其在２． ４５、５． ８ ＧＨｚ 時(shí)的ＳＡＲ 仿真結(jié)果如圖１３ 所示。以１ ｇ 為標(biāo)準(zhǔn)，在體表通信模式下得到的ＳＡＲ 平均峰值為０． １５ Ｗ ／ ｋｇ，在體外通信模式下得到的ＳＡＲ 平均峰值為１． ２７ Ｗ ／ ｋｇ，均低于美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)１． ６ Ｗ ／ ｋｇ 的標(biāo)準(zhǔn)。以１０ ｇ 為標(biāo)準(zhǔn)，在體表通信模式下得到的ＳＡＲ 平均峰值為０． ０７８ Ｗ ／ ｋｇ，在體外通信模式下得到的ＳＡＲ 平均峰值為０． ４７６ Ｗ ／ ｋｇ，均低于歐盟委員會(huì)２ Ｗ ／ ｋｇ 的標(biāo)準(zhǔn)。上述結(jié)果表明了該天線在使用過(guò)程中對(duì)人體的安全性。

與不同的雙頻可穿戴天線的性能比較如表２ 所示。與文獻(xiàn)［１－２］相比，所設(shè)計(jì)天線在雙頻段實(shí)現(xiàn)了２ 種輻射方向圖，可應(yīng)用于體表／ 體外２ 種通信模式，功能更加完善。與文獻(xiàn)［５－６］相比，該天線具有更小的天線尺寸。因此，該天線很好地實(shí)現(xiàn)了雙頻段雙模式的功能。

４ 結(jié)束語(yǔ)

本文基于特征模理論設(shè)計(jì)了一款雙頻段雙模式可穿戴天線。首先對(duì)三角形貼片進(jìn)行特征模分析，發(fā)現(xiàn)存在２ 個(gè)模式具有定向輻射特性，可實(shí)現(xiàn)體外通信。然后提出加載微帶線的三角形天線結(jié)構(gòu)，引入一個(gè)新的特征模式，對(duì)其進(jìn)行特征模分析發(fā)現(xiàn)具有全向輻射特性，可實(shí)現(xiàn)體表通信。最后對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，采用簡(jiǎn)單的同軸線進(jìn)行饋電，最終完成雙頻段雙模式可穿戴天線的設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介

沈飄飄 女，（１９９８—），碩士研究生。主要研究方向：可穿戴天線、微帶天線等。

劉巾軍 女，（１９６９—），碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：質(zhì)量管理。

肖如奇 男，（１９９３—），博士研究生。主要研究方向：無(wú)源器件，諧振天線。

楊 國(guó) 男，（１９７７—），博士，副研究員。主要研究方向：微波毫米波近程探測(cè)與通信技術(shù)。

齊世山 男，（１９８３—），博士，副教授。主要研究方向：微波天線。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（６２２７１２５７）