可穿戴天線研究綜述

董雅儒 李書芳 洪衛(wèi)軍

北京郵電大學(xué) 北京 100876

引言

近年來，可穿戴設(shè)備市場快速增長，各種穿戴形式的設(shè)備不斷涌現(xiàn)，在娛樂休閑、定位與軌跡跟蹤、健康管理、醫(yī)療輔助以及軍事領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1]，體域網(wǎng)通信和可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為科研領(lǐng)域的研究熱點之一。圖1顯示2013年以來用Google搜索引擎對以“Wearable Technology”為關(guān)鍵詞的搜索量的變化趨勢曲線?？梢姀?013年至2015年，可穿戴技術(shù)的搜索熱度呈現(xiàn)近似直線上升態(tài)勢。隨著可穿戴技術(shù)的日趨成熟，各種可穿戴產(chǎn)品大規(guī)模地涌入普通人的生活?？纱┐髟O(shè)備是指應(yīng)用穿戴式技術(shù)對人們?nèi)粘５拇┐鬟M行智能化配置，將各種傳感、識別、連接和云服務(wù)等技術(shù)，植入到人們的眼鏡、手表、手環(huán)、服裝、鞋襪等日常穿戴中?？纱┐髟O(shè)備不僅僅是一種傳統(tǒng)制造業(yè)的硬件設(shè)備，它更是一種通過移動互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、云端交互的跨界設(shè)備，它的出現(xiàn)必將給人們的生活和認(rèn)知帶來巨大的改變[2]。

圖1 2013年以來在Google上對“Wearable Technology”的搜索量分布圖(來源：Google趨勢)

在可穿戴設(shè)備中，可穿戴天線扮演著至關(guān)重要的角色，可穿戴天線起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇樽饔?，天線性能的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的性能?？纱┐魈炀€最早起源于軍事應(yīng)用，最早期的單兵裝備天線是鞭狀天線，這種天線暴露在士兵頭頂，很容易暴露出士兵的位置，不利于作戰(zhàn)。隨后，一些隱藏在衣服或者頭盔中的天線逐漸取代了鞭狀天線?？纱┐魈炀€即為穿戴在人體上的天線，作為可穿戴設(shè)備中主要組成元件，它可以集成在衣服、鞋子、手表等附著物上。而可穿戴天線除實現(xiàn)發(fā)射和接收電磁波的基本功能之外，需要最大程度地滿足穿戴者的舒適度，并且保障穿戴者的安全[3]10。

本文從可穿戴天線的天線性能、可穿戴天線分類以及可穿戴天線的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢展開調(diào)研。

1 可穿戴天線性能

相比于傳統(tǒng)的天線，可穿戴天線在外型、尺寸方面有著更加特殊的要求。當(dāng)可穿戴天線穿戴于胸部或者背部時，其尺寸可以稍大，形狀方面并無太多限制。但是根據(jù)外觀的需求，此類天線的厚度不可太厚。當(dāng)可穿戴天線佩戴于頸后部、手臂和腰部等位置時，外型可根據(jù)位置的不同設(shè)計成腰帶和手表的形式，此時由于人體的活動，對于天線的彎折特性提出了很高的要求。當(dāng)可穿戴天線應(yīng)用于運動領(lǐng)域，對天線的質(zhì)量和彎折特性需求就相對更高。對于應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，可穿戴天線便需要在安全和數(shù)據(jù)傳遞的靈敏性上做出更精密的設(shè)計。

1.1 天線效率

在綠色無線電和移動通信環(huán)境中，通信效率被視為一個重要的組成部分，尤其是在遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中，提高可穿戴天線效率有望成為今后的研究內(nèi)容。首先，可穿戴設(shè)備所配置的電池質(zhì)量輕，體積小，無法維持長時間地為系統(tǒng)續(xù)航。其次，當(dāng)可穿戴天線安裝在人體上時，由于人體的有損性質(zhì)，天線的反射系數(shù)和效率均會受到影響。提高可穿戴天線的工作效率可以用來解決以上問題。提高可穿戴天線效率即是降低天線輻射帶來的損耗，選擇具有合適介電常數(shù)的襯底材料將有助于降低天線材料所帶來的損耗。

1.2 魯棒性

由于可穿戴設(shè)備佩戴于人的身體上，人體的活動會對天線造成彎折的影響，彎折會造成天線工作頻率的偏移。那么在設(shè)計過程中，需要考慮可穿戴天線的魯棒性。天線的魯棒性是指在結(jié)構(gòu)、大小等參數(shù)改變的情況下，維持某些性能的特性。增大可穿戴天線帶寬，同時通過可重構(gòu)化設(shè)計來進行頻率補償是現(xiàn)在大多數(shù)研究中所采用的方式。

1.3 比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)

在體域網(wǎng)通信過程中，一方面由于人體的活動和姿態(tài)會產(chǎn)生變化，另一方面，通信網(wǎng)關(guān)相對于設(shè)備節(jié)點的位置是不固定的[3]27，因此，要求天線具備較寬的電磁波輻射角度。但是電磁波的輻射對于人體是有危害的，其天線的背向輻射并不是所期望的方向。尤其是當(dāng)可穿戴設(shè)備佩戴于人體頭部時，對健康的考慮就變得更加重要。在無線通信的能量傳輸過程中，電磁場在人體組織的透射過程中部分能量會被人體吸收，對人體產(chǎn)生加熱效應(yīng)；因此，半全向輻射是可穿戴天線所追求的特性。無線通信設(shè)備定義了比吸收率來表征天線產(chǎn)生的輻射劑量有多少是被人體吸收的。目前國際通用的標(biāo)準(zhǔn)有兩個，一個是由IEEE指定的1g人體組織1.6W/kg的標(biāo)準(zhǔn)；另一個是國際非電離輻射防護委員會(International Commission on Non-lonizing Radiation Protection，ICNIRP)制定的每10g組織2W/kg的標(biāo)準(zhǔn)[4]。其具體含義是指以6分鐘為計時單位，每千克人體組織吸收的電磁輻射能量不得超過2瓦。在目前的多數(shù)研究中，常采用良導(dǎo)體地面或者超材料結(jié)構(gòu)來減少天線的背向輻射，提高天線輻射的主波瓣增益，降低SAR。

2 可穿戴天線分類

近年來除了傳統(tǒng)天線之外，新出現(xiàn)了三類可穿戴設(shè)備天線：織物天線、紐扣天線和柔性天線。

2.1 織物天線

織物天線指由作為襯底平面的織物材料、導(dǎo)電貼片和地面組成的可穿戴天線，它具有平面化的結(jié)構(gòu)和良好的可集成性，是一種極具潛力的可穿戴天線類型。織物天線可以集成到衣物、家具或者其他織物材料中。與傳統(tǒng)天線相比，織物天線需要滿足懸垂性的額外需求。懸垂性含義為在任何方向都可彎曲。由于柔性襯底只有一個特定的彎曲方向，因此織物天線的這種特性恰好與標(biāo)準(zhǔn)的柔性襯底形成對比。除此之外，在可穿戴應(yīng)用中，織物天線必須是平面化的結(jié)構(gòu)從而不會影響穿戴者的舒適性。常見的織物襯底材料有牛仔布、羊毛、毛氈等，這種材料質(zhì)量輕，可以彎折，與衣服的材質(zhì)相近，易集成到衣物中。不同類型的織物天線特性在文獻[5]中描述。在可穿戴織物天線中，導(dǎo)電材料主要有編織型、縫紉型、印刷型和鍍銅型織物布[3]30。

Miroslav Joler等提出一種袖章圓極化可穿戴織物天線，該天線工作頻段為2.45GHz，其實物如圖2所示[6]。該天線由純織物材料組成，其尺寸足夠小和薄，便于集成到標(biāo)準(zhǔn)的袖章中。該織物天線能夠達到5.6%的阻抗帶寬，在2.5GHz處的增益達到5.04dBi，輻射效率為55.3%[6]，能夠很好地滿足可穿戴設(shè)備的需要。

圖2 袖章天線正面圖

通常，雙頻雙模天線是通過集成兩個輻射器實現(xiàn)的，這些輻射器由單端口或雙端口系統(tǒng)供電，每個輻射器以不同的頻率運行并提供不同的輻射模式。Roy B. V. B.Simorangkir等提出一種2.45GHz和5.8GHz雙頻雙?？纱┐魈炀€，結(jié)構(gòu)如圖3所示[7]。通過利用圓極化貼片天線固有的TM11模和TM02模實現(xiàn)兩種輻射特性，即用于體外鏈路的貼片狀輻射和用于體內(nèi)鏈路的單極狀輻射。采用短接引腳和兩個弧形槽將兩種模式調(diào)諧到期望的工作頻率，該方法可以用于實現(xiàn)簡單結(jié)構(gòu)的雙頻雙模天線。所提出的天線的另一個優(yōu)點是它使用了集成到柔性聚二甲基硅氧烷基底上的銀織物，使其更適用于可穿戴應(yīng)用[7]。文獻[7]對該天線附著于人體表面時的性能進行了仿真，結(jié)果表明人體介質(zhì)對該天線性能影響很小。當(dāng)放置在人體模型上時，分別在2.45GHz和5.8GHz頻帶測得84MHz和247MHz的帶寬，并且分別達到4.16dBi和4.34dBi的增益，這表明其有希望適用于體域網(wǎng)通信。

圖3 雙頻雙?？椢锟纱┐魈炀€

現(xiàn)有文獻已經(jīng)公開了對可穿戴天線的多種設(shè)計形態(tài)，主要包括背腔式[8]、微帶[9]、倒F、平面[10]和垂直單極天線[11-12]。這些天線具有窄帶寬、面積大和前后比(FBR)高的特點，并且受身體組織影響嚴(yán)重。文獻[13-16]提出將電磁帶隙EBG結(jié)構(gòu)用于2.4GHz超材料紡織天線中。在可穿戴天線設(shè)計中引入EBG結(jié)構(gòu)，從而降低了背向輻射，提高前后比，并降低組織中的SAR。 然而，這樣的結(jié)構(gòu)存在一個明顯的缺點，即大多數(shù)基于EBG的設(shè)計尺寸都比較大[17]?；谶@些特點，Adel Y. I. Ashyap等提出一種應(yīng)用新型小型化電磁帶隙結(jié)構(gòu)的2.4GHz緊湊型可穿戴天線，結(jié)構(gòu)如圖4所示[18]。EBG結(jié)構(gòu)減少了背向輻射，將前后比提高了15.5dB，并且隔離了天線對人體的影響。當(dāng)天線貼附于人體表面時，天線諧振特性基本不受影響。所提出的天線具有27%(2.17GHz～2.83GHz)的阻抗帶寬，增益增加到7.8dBi，SAR降低95%以上[18]。在彎曲測試中，諧振頻率和帶寬也基本保持不變。

David Ferreira等介紹了一種在2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻帶下工作的矩形紡織貼片天線的彎曲對性能的影響。天線的襯底由牛仔布紡織制成，導(dǎo)電層由鍍銅和鍍鎳的聚酯織物制成。該天線在平面位置提供了最大約4dBi的增益和70°的半功率波束寬度(HPBW)。當(dāng)受到腕部等效彎曲時，增益降低2dB，HPBW增加約25°，前后輻射比降低。另一方面，圖5所示天線沿不同方向彎曲，諧振頻率根據(jù)天線是圍繞其寬度方向還是圍繞其長度方向彎曲而產(chǎn)生不同程度的偏移。當(dāng)將天線圍繞其寬度方向彎曲時，觀察到向低頻偏移，而天線長度方向的彎曲導(dǎo)致頻率向高頻偏移[19]。因此，在為WBAN應(yīng)用設(shè)計紡織貼片天線時，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場景可能產(chǎn)生的彎曲程度進行研究，因為相對于天線曲率角的諧振頻率偏移可能會嚴(yán)重影響天線的性能。

圖4 天線和EBG結(jié)構(gòu)

圖5 織物天線彎曲情景

通過上面的例子可以看出，對織物天線的研究在襯底材料的選擇上尤為重要，襯底材料對天線效率有巨大的影響。同時，彎曲效應(yīng)對天線性能的影響也會根據(jù)方向的改變而造成不同程度的影響。在考慮天線對人體輻射造成的影響方面，大多數(shù)研究都選擇稍大的底面或者EBG結(jié)構(gòu)來減少天線的背向輻射，從而保障人體的安全?？椢锾炀€是一款非常適合可穿戴應(yīng)用的天線類型。

2.2 紐扣天線

紐扣天線的實用價值很大，它是一種硬質(zhì)的可穿戴天線，其類似紐扣的外形，可以很方便地集成在佩戴者的衣服上。常見的紐扣天線有圓形貼片天線和單極子天線，通過設(shè)計不同尺寸的輻射貼片，可以調(diào)節(jié)天線諧振頻率，當(dāng)加載多個諧振結(jié)構(gòu)時可獲得多頻特性。

Zhang Xiu Yin提出一種用于人體中心通信的雙頻雙模紐扣天線，結(jié)構(gòu)如圖6所示[20]。文獻[21-23]中的紐扣天線只有一個全向輻射模式，Zhang Xiu Yin設(shè)計一個雙模全向輻射的天線結(jié)構(gòu)，天線結(jié)構(gòu)由螺旋倒F天線和金屬反射器組成。在低頻段，螺旋倒F天線形成平行于身體表面的輻射方向圖，可實現(xiàn)體表上多個可穿戴設(shè)備間的通信；在高頻段，高階模形成垂直天線表面的輻射方向圖，從而實現(xiàn)可穿戴設(shè)備與體外設(shè)備的通信。在低頻和高頻處，體模測量的峰值增益分別為0.6dBi和4.3dBi。天線在低頻帶效率為46.3%，在高頻帶效率為69.3%。隨著整體小型化，此類紐扣天線可以集成在衣服中，因此有望成為未來可穿戴設(shè)備天線設(shè)計的主要形態(tài)[20]。

圖6 紐扣天線圖

相比于文獻[21-23]和[24-28]中的紐扣天線，Hu Xiao mu介紹一種用于無線局域網(wǎng)的新型可穿戴紐扣天線。天線由直徑大約16mm的紐扣組成，在介質(zhì)基板頂部安裝貼片。該紐扣位于紡織基材和導(dǎo)電紡織品地面的頂部，將被集成到服裝中，結(jié)構(gòu)如圖7所示[29]。這種天線的主要特點是它具有兩種不同類型的輻射方向圖：用于體表通信的2.4GHz頻帶的單極型輻射和用于體外通信的5GHz頻帶的寬頻輻射圖。它獲得了約90%的輻射效率，該結(jié)果高于現(xiàn)有文獻中其他紡織天線的性能[29]。

Shengjian Jammy Chen利用可拆卸輻射單元的天線設(shè)計理念為可穿戴應(yīng)用提供模塊的幾何可重構(gòu)性[30]。通過利用卡扣式按鈕，無論是作為射頻(RF)連接還是機械固定機構(gòu)，都采用不同的模塊化可互換微帶貼片單元從而獲得特定的工作頻率和輻射特性。設(shè)計的獨特性源于所有配置共享一個共同的饋電結(jié)構(gòu)，該饋電結(jié)構(gòu)由搭扣按鈕、地平面和耦合饋電的雙層基板組成。首先，提出了一種可拆卸的貼片，其在5GHz提供可互換的右旋圓極化(RHCP)和左旋圓極化(LHCP)。其次，給出了用于無線局域網(wǎng)的2.4GHz和5.3GHz頻帶的可互換諧振頻率的平面倒F天線(PIFA)。最后，針對8GHz操作設(shè)計了一個補丁模塊，以顯示頻率模塊化的多功能性。這種天線設(shè)計具有制造和維護成本低的優(yōu)點，以無源方式實現(xiàn)了多功能可穿戴系統(tǒng)動態(tài)可配置特性[30]。

圖7 紐扣天線結(jié)構(gòu)圖

2.3 柔性天線

可穿戴電子設(shè)備的主要挑戰(zhàn)之一在于實現(xiàn)靈活、無處不在、堅固且低成本的穿戴式天線，同時又要表現(xiàn)出類似于剛性銅的射頻性能?？紤]到這一點，柔性可穿戴天線可以很好地解決這一挑戰(zhàn)。

Roy BVB. Simorangkir在2018年提出一種新的方法來實現(xiàn)健壯、靈活和電子可調(diào)的柔性可穿戴天線。導(dǎo)電織物在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上形成天線的導(dǎo)電部分；天線、電子調(diào)諧和RF扼制所需的集總(有源和無源)元件將完全封裝于附加層PDMS，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示[31]。在靠近人體模型的地方，從2.3GHz至2.68GHz進行連續(xù)頻率調(diào)諧，平均帶寬為3.3%，平均峰值增益為2.6dBi。在極端彎曲(彎曲半徑為28mm)和洗滌后，該天線依然可以保持整體天線性能，包括2.3GHz至2.68GHz的良好頻率可重構(gòu)性[31]。

圖8 可重構(gòu)天線圖

Zahir Hamouda介紹一種由共面波導(dǎo)饋電的橢圓形單極子柔性天線，它使用kapton基板，并針對1GHz到8GHz的頻率進行了優(yōu)化[32]。在5.8GHz測量的最大增益分別為1.86dBi(未彎曲情況下)和3.1dBi(彎曲情況下)。此外，通過改變PANI基體中MWNCTs濃度來改變聚合物的電導(dǎo)率，從而調(diào)節(jié)其提出的有機柔性天線(PANI/MWCNTs)的增益[32]。

3 可穿戴天線未來發(fā)展趨勢

萌芽時期的可穿戴天線，具有體積大、彎折性能差等方面的硬傷。近幾年市場上出現(xiàn)的可穿戴天線在可穿戴性、智能性和安全性方面都得到了明顯的提升，具備自己鮮明的特點?！翱纱┐鳌北硎拘枰蟹浅８咝У谋銛y性和舒適感，同時需要具備能夠吸引用戶的時尚外觀。在未來，可穿戴天線的以下性能仍需重點研究并提高。

3.1 尺寸小巧，輕薄便捷

可穿戴天線最理想的狀態(tài)是不被人感知。在用于佩戴場合時，可穿戴天線應(yīng)盡可能尺寸小、輕薄、便于攜帶。將天線整合到衣物上時，則需要考慮原有物品的舒適性，不可破壞穿戴者的舒適感體驗。尤其是近期得到較多研究的可植入式天線，對其安全性、可消化、小型化等都提出了新的更高的要求。

3.2 多頻超寬帶

由于可穿戴天線佩戴于人的身體上，人類的活動或者外界環(huán)境的影響均會對可穿戴天線的工作頻率造成影響，彎折或者扭曲造成天線工作頻率的偏移，無法正常工作。為了不影響佩戴者的舒適度，在擺放可穿戴天線的位置時也要更加合理，不能影響系統(tǒng)的工作性能。尤其是在可穿戴天線與人體共形時，需要保證在彎曲的情況下依然能夠與移動終端設(shè)備正常連接，進行數(shù)據(jù)的通信。因此擴展天線的帶寬，設(shè)計多個頻段均可工作的可穿戴天線也是研究者比較關(guān)注的一個方向。

3.3 強大的抗干擾能力

可穿戴天線是用于數(shù)據(jù)傳輸交換的媒介，其工作場合是隨時隨地的，然而其他無線電波的干擾、多變的天氣、使用過程中的意外情況，都會對電磁波的接收與發(fā)射造成影響，這就需要可穿戴天線具備更高的抗干擾能力。例如防水防塵、抗電磁干擾等都是未來可穿戴天線所追求的特征。

3.4 低SAR

因為可穿戴天線距離人體比較近，其電磁波的輻射會對人體的健康造成潛在的影響，如何盡可能地減小可穿戴天線的背向輻射特性是可穿戴天線設(shè)計時需要考慮的重要指標(biāo)。如何平衡增強設(shè)備通信能力與減小對人體輻射的矛盾，需要設(shè)計者進行研究和優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié)語

可穿戴設(shè)備在今后幾年內(nèi)的發(fā)展依然會保持一個比較高的速度，對可穿戴天線的研究也會繼續(xù)深化和擴展，將傳統(tǒng)通信天線進一步平面化、小型化，并進行多頻多模設(shè)計從而使其更適用于可穿戴設(shè)備與體感網(wǎng)應(yīng)用；結(jié)合電負(fù)、磁負(fù)以及左手材料等新型的超材料技術(shù)，可以獲得效率更高、前后比更好的可穿戴天線；而隨著電子皮膚與可植入設(shè)備的進一步研究，柔性天線、織物天線以及可消化天線的研究將有望成為未來可穿戴天線研究的熱點。