一種新型的超寬帶圓極化可穿戴天線研究*

張楚笛， 王黎明

(中北大學 信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051)

0 引 言

現(xiàn)代社會中，運動性猝死在各類運動場所中時有發(fā)生，尤其是在長跑、足球以及網球等項目中。而運動性猝死多是由心臟病等引起。隨著人們對健康越來越關注，具備實時監(jiān)護功能的可穿戴設備成為了研究熱點。在這些體育活動中，天線設計是系統(tǒng)中的關鍵。圓極化天線以其抗干擾能力強、抑制多徑效應等優(yōu)點得到很多研究者的關注[1～4]?；谶\動情況下的可穿戴設備對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的要求較高。同時要求天線設計時要有舒適度，能和人體達到很好的匹配。因此，天線必須重量輕、體積小、佩戴方便。同時，關注天線的電磁輻射對人體的影響，采取措施將電磁輻射降到最低。

文獻[1]提出了一種矩形槽口的共面波導(coplanar waveguide,CPW)超寬帶天線，接地板的兩個對角上分別有不相等的L形條帶線，以此實現(xiàn)天線的圓極化輻射。文獻[2]的輻射貼片為帶有一定角度的微帶線，接地板對角上也加載了兩個不相等的L形條帶線。文獻[3～15]的接地板三個角上都有L形條帶線，輻射貼片為幾段不同的矩形組合而成。圓極化天線主要的挑戰(zhàn)在于AR帶寬較窄，最近的很多研究也都集中于拓寬AR帶寬。如在接地面上加載一個或多個L形條帶線。文獻[7]中介紹了一種單極子可穿戴天線，該天線具有良好的阻抗帶寬和增益，介質基板采用柔性材料聚酰亞胺(polyimide，PI)，通過加載背面金屬反射板，使得天線在不影響帶寬的情況下，對人體模型輻射的SAR值降至安全值以下。本文在前期諸多研究基礎上，給出了一種共面波導饋電的超寬帶圓極化可穿戴天線。

1 天線的結構分析和研究

1.1 天線結構

設計的天線具有3.6～10.8 GHz(124.13 %)的阻抗帶寬(S11<-10 dB)，4.8～6.4 GHz(29.31 %)的AR帶寬(小于3 dB)。通過加載倒L形條帶線和接地面的半圓形開槽使得天線實現(xiàn)圓極化輻射。左上角的矩形貼片影響天線耦合。由于采用CPW饋電，該天線具有加工容易且成本較低的優(yōu)點，且易于其他微波設備集成。

表1中列出了參考文獻與本文所設計天線的阻抗帶寬、軸比帶寬、尺寸大小等參數(shù)。表中各超寬帶CPW天線皆工作于ISM頻段(2.4～2.485 GHz,5.725～5.85 GHz)。從表中可以看出，本文的天線具有最小的體積，且?guī)捀采wWLAN帶寬(5.15～5.825 GHz)。

表1 參考文獻與本文天線的尺寸和帶寬參數(shù)

本文所設計的天線結構如圖1所示。

圖1 天線結構

包括一層介質板、接地平面、輻射貼片和饋電線。其中，接地面上有兩個大小不同的L形條帶線、矩形貼片和對稱的半圓形切槽。所用的介質材料為FR4，相對介電常數(shù)εr為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為1.6 mm。饋電線與兩側接地面之間的間隙為0.8 mm。兩個L形的條帶線和左上角的矩形貼片使天線實現(xiàn)圓極化輻射。其中，左側L形的條帶線寬度為0.1 mm，右側L形的條帶線寬度為0.3 mm，矩形貼片的邊長為6 mm。由于饋電線與矩形輻射貼片連接處的不連續(xù)性影響貼片輻射，引入相等對稱的三角形槽口減小該影響。三角形兩直角邊長分別為1.9 mm和1.35 mm。為了調整輻射貼片和接地板之間的耦合、提高天線的圓極化帶寬，在接地板的對稱兩側引入半圓槽。半圓槽半徑為0.75 mm。

模型如圖1所示，50 Ω饋電微帶線長度約為2 mm，兩側地板寬度為1.2 mm。

1.2 天線性能與分析

天線在自由空間中時，天線的輻射如圖2所示。

圖2 自由空間中天線的輻射特性

圖2(a)為天線仿真和測試的S11值。由圖可看出仿真和測試結果基本吻合，天線的阻抗帶寬達到3.6～10.8 GHz(124.13 %)。

圖2(b)為天線仿真和測試的AR值。由圖可看出，仿真和測試結果帶寬大體一致，帶寬范圍略有偏差，推測是由于饋電處焊接SMA頭以及加工誤差造成，天線的阻抗帶寬達到4.8～6.4 GHz(29.31 %)。

2 穿戴式天線對人體的輻射特性

SAR(specific absorption rater)(W/kg)稱為“比吸收率”，為單位質量的人體組織所吸收或消耗電磁輻射能量。準確的數(shù)學定義如下

式中W為輻射能量，m為質量，V為體積，ρ為密度。

2.1 天線對人體模型的輻射

人體模型在天線下方10 mm處，該模型為皮膚、脂肪和肌肉組成的三層人體組織模型，總大小為50 mm×50 mm×13 mm。其中，皮膚模型大小為50 mm×50 mm×1 mm，脂肪模型大小為50 mm×50 mm×2 mm，肌肉模型大小為50 mm×50 mm×10 mm。

人體皮膚、脂肪和肌肉在5.8 GHz相對介電常數(shù)分別為35,5和48，電導率分別為5.021 9，0.306 23，5.021 9 S/m。當輸入功率為1 W時，人體表面的1 g平均SAR分布情況如圖3(a)，可得，天線SAR的峰值為73.6 W/kg，超過了公眾電磁輻射安全限制標準，需要對天線的結構進行改進，減小天線的背向輻射。

圖3 未加金屬板時天線對人體的輻射與方向

在天線未加反射板時，天線背面的輻射較多，使得天線正向輻射減小。由圖3(b)可以看出，天線最大增益方向的增益為1.624 dBi。

2.2 改進型天線對人體模型的輻射特性

在天線背面增加反射板可以有效減小背向輻射，從而減小對人體的電磁輻射。在窄帶可穿戴天線的研究中，一般采用加載電磁帶隙(electromagnetic band-gap,EBG)結構的方式減小后向輻射。但是EBG結構由于自身的限制，帶寬有限。對于超寬帶的可穿戴式天線，一般通過加載金屬反射板的方式減小天線對人體的輻射。

金屬反射板放置于人體模型上方，大小為50 mm×50 mm，在金屬反射板與天線中間填充泡沫，其相對介電常數(shù)為1.06，損耗角正切為0.005。加入反射板和中間填充泡沫后，可得如圖4(a)的天線對人體模型輻射的SAR值。人體模型的最大SAR值為0.375 W/kg，對比未加反射金屬板和泡沫填充物的SAR值，天線后向對人體的電磁輻射大幅的降低，達到安全值以下。

如圖4(b)所示，加入反射金屬板和泡沫之后，天線正向的輻射增益加大?？梢钥闯?，天線最大輻射方向的增益為3.176dBi。對比未加金屬反射板的正向輻射增益獲得很大提高。

圖4 加載金屬板時天線對人體輻射與方向

3 結 論

本文提出了一種滿足電磁輻射安全標準的可穿戴式天線。采用CPW結構以及在接地板上加載L形條帶線，實現(xiàn)圓極化超寬帶輻射?？紤]到饋電線與輻射貼片間的不連續(xù)性，在連接處切對稱的三角形槽，增加連續(xù)性，優(yōu)化阻抗帶寬。左上方的對角上加矩形貼片實現(xiàn)小型化和減小耦合。天線具有良好的阻抗帶寬和軸比帶寬。但是天線對構建的人體三層模型輻射較多，SAR值超過安全標準。在天線背面加載金屬反射板，提高了天線的正向增益，天線最大輻射方向的增益為3.176 dBi，同時極大地減小了SAR值。該天線簡單的結構、極好的帶寬特性以及滿足人體安全標準的SAR，使得該天線具有良好的應用和參考價值。