摘要：本文提出了一種結構緊湊的可穿戴天線并加載模擬人體進行仿真。天線結構為印制在FR4介質基板上的正弦形對稱振子，通過梯形漸變線巴倫平衡饋電，天線尺寸為0.4λ×0.096λ×0.008λ（λ為諧振頻率對應波長）。在CST軟件中對天線建模，仿真結果表明天線在2.28GHz-2.57GHz頻帶范圍內，電壓駐波比（VSWR）小于2，最大增益大于2.3dBi。模擬人體結構包括皮膚，脂肪，肌肉三層結構，加載模擬人體后天線諧振頻率變化小，方向圖穩定，2.4GHz工作頻率下最大增益大于5.8dBi。天線結構簡單，實用性好，適用于藍牙、WIFI等以人體為中心的短距離無線通信。

關鍵詞：可穿戴天線，巴倫，小型化，模擬人體

一、引言

近年來，以人體為中心的無線通信被廣泛應用于不同領域，例如遠程醫療，衛星通信，全球定位系統等。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構或者特殊的材料構成，從而集成到人體所穿戴的衣物上。可穿戴式天線在設計時必須考慮以下要求：具備穩定的電特性；結構緊湊，重量輕；易于與身體或設備共形。

國內外對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、與衣物集成化設計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，在可穿戴天線的設計中，通常會出現以下問題：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雜的介質，必然對天線的性能參數產生影響^[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(據估計，移動電話的最高效率為30～50％，而最差只能達到3～5％)。故而對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。為了能夠實現所需功能，對天線結構尺寸在CST中建模仿真優化，并且對天線加載模擬人體來驗證天線的工作穩定性與實用性。

二、天線設計

本文提出的可穿戴共形天線結構如圖1所示，主要由輻射部分和饋電部分雙層結構組成。天線輻射部分為平面對稱振子，振子結構采用蜿蜒正弦曲折線，這樣的設計能使天線獲得額外的電感系數從而便于小型化。饋電部分為梯形漸變線巴倫，其中微帶線的寬度為0.8mm。巴倫結構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。對稱振子和巴倫結構都印刷在介電常數為ε=4.4、厚度為H=0.5mm的FR4介質板上，饋電部分通過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為諧振頻率對應波長），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對人的自身行為造成影響。使用電磁仿真軟件CST對本文中設計的天線進行建模仿真和尺寸優化，最終得到的尺寸參數如表1所示。

（a）天線立體圖及其分解結構

（b）天線俯視圖

圖1、天線示意圖

表1、優化后天線結構各尺寸參數值(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頻帶范圍內電壓駐波比小于2，阻抗帶寬達到290MHz，具有寬頻帶特性。諧振頻點近似在2.4GHz，在諧振頻點處電壓駐波比為1.23。天線在2.4GHz頻點下的增益方向圖如圖3所示。天線具備典型對稱振子輻射方向圖，最大增益可以達到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

在研究人體對天線的影響時，必須精確建立人體模型，但是人體是由多種形狀各異、電磁特性復雜的生物組織構成的；并且大多數生物組織都是非均勻的色散介質，所以無法精確建立人體模型。但是可以通過采用構建不同人體模型，獲得多次結果來盡可能的獲得在誤差允許范圍內的數據^[10]。

由于天線并非直接與人體接觸，我們在天線下方距離天線4mm處放置一個類似人體胸膛的方塊。在CST中建立人體模型，如圖4所示，從上往下依次設置為皮膚層（厚度2mm），脂肪層（厚度5mm），肌肉層（厚度10mm）三層結構，模型體積為200mm×160mm×17mm。通過設置類人體的介電常數等電特性，獲得仿真結果，觀察人體對于天線的影響。

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，電壓駐波比小于2，阻抗帶寬達到270MHz，具有寬頻帶特性。天線諧振頻點稍微向低頻處偏移，這是由于加載人體后相當于加載復合介質，相當于使天線等效電長度增加了。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天線輻射電磁波具有強反射，這同時也使得天線的主瓣增益提高。

四、總結

本文設計的工作于ISM 2.4GHz頻段的正弦形可穿戴天線具有尺寸小，結構緊湊，容易加工等特點。天線通過巴倫饋電，帶寬大于250MHz，電特性穩定。在CST仿真軟件中對天線加載模擬人體進行建模仿真，在加載人體模型前后，天線諧振頻率和阻抗帶寬變化很小，輻射方向圖穩定為單向輻射，最高增益可達5.88dBi。仿真結果可以看出，該天線的設計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部位，具有良好的共形性，也不會影響到人體自身的活動性。

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 徐樂凡 徐超龍

參考文獻

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本文刊登于微波射頻網旗下《微波射頻技術》雜志 2016無線射頻專刊，未經允許謝絕轉載。