王 帥, 梁領(lǐng)帥, 毋 皓，段亞朋

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)和無線體域網(wǎng)(wireless body area network,WBAN)的發(fā)展，可穿戴天線研究也越來越引起研發(fā)者的關(guān)注，更多地被應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、智能穿戴設(shè)備、礦井下可穿戴檢驗(yàn)設(shè)備。因可穿戴天線應(yīng)用場景的特殊性，基板材料一般選擇布料或者其他柔性的材料，同時也需要考慮到天線工作時的彎折性能和比吸收率(specific absorption rate,SAR)[1]。

天線可以放置在人體表面，也可以嵌入人體內(nèi)部配合終端設(shè)備一起使用[2]。較早的可穿戴天線設(shè)計(jì)時采用一些硬度較大的材料作為天線的基板，這樣就導(dǎo)致了天線整體硬度較大使用時舒適度較低[3]。為了解決這些問題，出現(xiàn)了以聚酰亞胺、天然橡膠[4]和聚對苯二甲酸乙二脂(polyethylene terephthalate,PET)[5]作為天線的基板，這些材料擁有良好的耐熱性和適中的硬度。隨著可穿戴天線研究的深入，出現(xiàn)了以牛仔布料[6]、毛氈布料、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)[7]這類更具柔韌性，在穿戴時更加舒適的基板材料。本文選擇牛仔布料作為天線基板的材料。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁帶隙(electromagnetic band gap,EBG)結(jié)構(gòu)的雙頻段可穿戴天線，天線整體仿真結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

在圖1(b)中為天線實(shí)物圖，實(shí)物制作采用激光刻蝕技術(shù)，天線尺寸誤差相對較小，在導(dǎo)電銅片和基板之間采用導(dǎo)電膠進(jìn)行粘合，天線和EBG基板結(jié)構(gòu)之間利用導(dǎo)電膠進(jìn)行固定，兩者之間留有空隙。

圖1 天線仿真和實(shí)物結(jié)構(gòu)

天線整體結(jié)構(gòu)由基板層和導(dǎo)電層組合而成。其中，基板層采用相對介電常數(shù)εr=1.54，損耗角正切值tanθ=0.02的牛仔布料制成。下層EBG反射基板層尺寸為49 mm×49 mm，厚度為h1=0.5 mm；雙頻天線下方的基板層尺寸為20 mm×45 mm，厚度h2=0.5 mm。天線導(dǎo)電層采用h3=0.08 mm，電導(dǎo)率σ=0.18 Ω/□，共面波導(dǎo)阻抗為50 Ω的銅箔材料制作而成。

1.2 EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為本文采用的EBG貼片結(jié)構(gòu)的簡易等效電路，EBG結(jié)構(gòu)采用和天線一樣的銅箔材料，EBG結(jié)構(gòu)等效電路輸入阻抗和諧振頻率的關(guān)系如式(1)和式(2)所示

圖2 EBG貼片簡易等效電路

(1)

(2)

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)矩形貼片中間增加環(huán)狀電容C2之后，單元之間的電容C1減小，單元內(nèi)的等效電感L1增大。對于EBG等效電路來說L1對于諧振頻率的影響要大于C1。因此，環(huán)狀EBG結(jié)構(gòu)可以在縮小自身體積的同時減小天線的諧振頻率。而且，在對于人體輻射方面環(huán)狀EBG結(jié)構(gòu)可以大幅度降低天線對人體的能量輻射[8]。

如圖3所示為EBG結(jié)構(gòu)表面的電流輻射示意，從圖中可以看出，單個EBG單元為中心對稱結(jié)構(gòu)，同時X軸上電流方向相反，可以抵消；Y軸上電流相互平行，彼此增強(qiáng)。對于整個EBG結(jié)構(gòu)而言，在每個單元中都會出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。由X軸和Y軸方向電流分布可知，天線在工作時，負(fù)Z軸方向上的輻射大部分會被反射回來，因此EBG基板可以很好地保護(hù)人體，降低SAR值[9]。

圖3 EBG結(jié)構(gòu)表面電流分布示意

EBG結(jié)構(gòu)尺寸為一個EBG單元由面積為Ge1×Ge1的矩形在內(nèi)部挖去面積Ge2×Ge2的矩形組合而成，由于天線體積的原因，本文采用3×3的結(jié)構(gòu)，其中,Ge1=15 mm,Ge2=6 mm，每個單元之間的距離為Ge=1 mm。

1.3 天線優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文采用三維電磁仿真軟件HFSS(high frequency structure simulator)優(yōu)化天線的各項(xiàng)指標(biāo)[10]。原始天線整體結(jié)構(gòu)由上層天線結(jié)構(gòu)、中間天線基板(采用牛仔布料)、下層地結(jié)構(gòu)再和EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，兩者的間距為h3=0.5 mm，整個天線初期原始結(jié)構(gòu)及性能如圖4所示。

圖4 天線原始結(jié)構(gòu)與性能

從結(jié)果可以看出，天線整體性能表現(xiàn)較差，中心頻率未能在所需要的范圍內(nèi)，不能滿足設(shè)計(jì)的要求。

根據(jù)天線等效電路原理，對天線整體增加等效電容和等效電感，采用單一變量原則對相應(yīng)的每個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中參數(shù)a4,a5,b4,b5這4個參數(shù)對天線整體等效電容和等效電感有很大的影響。為了增大天線等效電路中等效電容和等效電感的大小，考慮在a4,a5,b4,b5圍成的區(qū)域內(nèi)增加1個長寬為k1,k2的矩形EBG，優(yōu)化后天線如圖5所示，圖5(b)為優(yōu)化天線性能，可以看出天線性能表現(xiàn)良好。

圖5 優(yōu)化后天線結(jié)構(gòu)與性能

天線具體參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

采用天線矢量分析儀對天線實(shí)物性能進(jìn)行測量，將天線原始性能、天線優(yōu)化后性能、天線實(shí)測性能進(jìn)行對比，如圖6所示。

圖6 天線回波損耗對比

2 天線性能考量

2.1 天線彎曲性能考量

彎曲半徑R2為自變量范圍R為50～200 mm,分別對X軸、Y軸方向上的彎曲天線進(jìn)行仿真，通過圖7(a2)和(b2)可以看出，天線在發(fā)生一定形變時在低頻段2.45 GHz性能變化影響較小，但在高頻段5.8 GHz時中心點(diǎn)普遍向右移位，相應(yīng)的帶寬也會減小。通過仿真結(jié)果可以得出，天線彎折對5.8 GHz影響較大，性能會產(chǎn)生一定程度的下降。

圖7 天線X軸、Y軸彎曲與性能變化曲線

圖8為天線實(shí)物在圓柱曲率R=150 mm的泡沫模型上進(jìn)行X軸方向彎曲的實(shí)測結(jié)果，可以看出實(shí)測結(jié)果和天線在X軸上的仿真結(jié)果相比在中心頻率2.4 GHz處相差不大，5.8 GHz處天線中心頻率右移，回波損耗性能稍有減弱。

圖8 天線彎曲性能實(shí)測

2.2 SAR值的測量

對于可穿戴天線而言，SAR值的大小是評定天線性能好壞的很重要的指標(biāo)，在天線工作的過程中，會將能量朝著四周進(jìn)行輻射，過量的輻射會對人體造成傷害，令人體局部發(fā)熱，輻射過量會對人的生理系統(tǒng)造成不可逆的傷害，影響健康[11]。SAR的意義為單位質(zhì)量的人體組織所吸收或消耗的電磁輻射能量，單位為W/kg或者mW/g。其中，美國對于人體吸收的標(biāo)準(zhǔn)值采用每1 g≤1.6 W/kg，歐洲采用的標(biāo)準(zhǔn)值為10 g≤2.0 W/kg[12]。公式如下

(3)

式中W為輻射能量;m為質(zhì)量;V為體積;ρ為密度。通常采用SAR作為衡量電磁輻射的指標(biāo)，其計(jì)算公式為

(4)

式中σ為人體組織的電導(dǎo)率，ρ為人體組織的質(zhì)量密度，E為人體組織中電場的均方根，具體如式(5)所示

(5)

利用HFSS建立人體組織模型，根據(jù)皮膚、脂肪、肌肉3層結(jié)構(gòu)各自在2.45 GHz處的介電常數(shù)值以及厚度，建立好人體組織仿真模型后[13]，將是否帶有EBG結(jié)構(gòu)的正常天線進(jìn)行仿真對比，具體仿真模型圖和仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 帶EBG結(jié)構(gòu)天線在人體組織仿真

本文中對天線有無EBG結(jié)構(gòu)以及天線在X軸和Y軸上的SAR值大小進(jìn)行了仿真，其中，在X軸和Y軸上采用R=50 mm的彎曲形態(tài)，具體的結(jié)果如表2所示。通過表2可以看出，天線在增加EBG基板之后，可以大幅度降低SAR值，滿足可穿戴天線的需求。

表2 SAR值結(jié)果

3 天線性能對比

將本文設(shè)計(jì)的天線和其他類型的天線進(jìn)行性能對比，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的天線具有2.45 GHz和5.8 GHz的優(yōu)勢，同時在2.45 GHz時天線帶寬性能和回波損耗表現(xiàn)良好，帶寬可達(dá)到1 380 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他同類型的天線，同時在增加EBG結(jié)構(gòu)后，天線的SAR測量數(shù)值大幅度減小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體輻射規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，具體的性能參數(shù)比較如表3所示。

表3 天線性能對比

通過表3的對比可以得出，本文設(shè)計(jì)的天線與同類型天線相比有很大的改進(jìn)。在文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]中，天線設(shè)計(jì)的整體尺寸相對較大，同時使用的導(dǎo)電材料相對較厚，使得天線在可穿戴方面性能有所欠缺；相比于文獻(xiàn)[7]來說，本文設(shè)計(jì)采用牛仔布料作為天線基板性比于FR4來說穿著更加舒適，天線在實(shí)現(xiàn)彎折時也更加容易；與文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[6]相比，本文設(shè)計(jì)的天線可以實(shí)現(xiàn)雙頻段通信，同時具有更寬的頻帶；文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]相比，回波損耗基本相當(dāng)，但在帶寬和SAR值方面性能更加優(yōu)良，而且在滿足天線的可穿戴的使用的前提下還可以保有裕量為后續(xù)的改良優(yōu)化保有空間。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于牛仔布料作為基板將雙頻段貼片天線和EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、可彎折、低SAR值的可穿戴天線。通過對比驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的天線在帶寬和頻段方面性能表現(xiàn)較好，并擁有較好的方向性、增益及回波損耗性能；對天線彎曲角度和天線性能的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了仿真，同時對天線實(shí)物進(jìn)行測量，天線在正常形態(tài)和X軸彎折狀態(tài)下性能曲線和仿真結(jié)果相差不大，可以滿足設(shè)計(jì)需求。后續(xù)工作可以針對彎曲的影響對天線性能做進(jìn)一步優(yōu)化。