王培杰，程鉍峪，楊凌升

(南京信息工程大學 應用電磁學研究中心，江蘇 南京 210044)

可穿戴天線在醫(yī)療、軍事等領域有應用價值.在醫(yī)療方面，可把天線、傳感器和醫(yī)療設備一起放置在人體上，天線把檢測到的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡終端，便于醫(yī)生實時監(jiān)測病人身體狀態(tài).在軍事領域，可將天線放置在士兵頭盔或者背部，便于收發(fā)信號.除此之外，可穿戴天線也可用于消防隊員、運動員[1-2].然而，人體運動時身體姿勢的變化、天線置于人體的位置、佩戴的其他電子設備等，均影響天線信號傳輸[3-4],單一輻射方向的天線已不能滿足通信需求[5].可通過在人體不同部位放置多個天線[6-7]，或者使用具有多種方向圖輻射特性的天線，接收變化環(huán)境中不同輻射模式的電磁波[8]，來增加信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性.室外環(huán)境中，可穿戴天線接收到的大部分能量來自爬行波，散射波可忽略.平行于身體表面具有全向輻射模式的單極子天線正適合接收在身體周圍傳播的爬行波.室內(nèi)環(huán)境中，除了沿人體表面?zhèn)鞑サ呐佬胁ㄍ?，墻壁、地面及家具等散射的電磁波也存在，平面倒F天線(PIFA)適合接收此類電磁波.

研究人員圍繞具有方向圖分集特性的可穿戴天線進行了大量的研究[3,9-12].文獻[3]設計了一款工作在2.45 GHz頻段的PIFA和頂端加載單極子的2單元天線，該天線中單極子天線部分適合用來接收人體表面全向的爬行波，PIFA部分則接收直接照射到人體表面的波.文獻[9]設計了一款適用于WBAN通信系統(tǒng)的三極化可穿戴天線，該天線有3個饋電端口，其中2個端口單獨饋電時，天線產(chǎn)生正交側(cè)向輻射模式，第3個端口單獨饋電時產(chǎn)生水平面全向輻射模式.文獻[10]設計了兩款可穿戴天線陣，分別為腰帶式結(jié)構(gòu)和馬甲式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的輻射特性在水平面(平行于基板)為全向，在垂直面(垂直于基板)為“∞”形，從而提高了通信系統(tǒng)信號傳輸效率[10].文獻[11]提出了一種三極化微帶天線，該天線不同端口單獨饋電時，會產(chǎn)生垂直基板的定向及平行基板的水平全向兩種輻射模式，采用準交叉槽及電容耦合饋電提高了單元間隔離度.文獻[12]設計了一款用于室內(nèi)外定位的可穿戴天線，對切角貼片饋電時，天線工作在1.575 GHz，產(chǎn)生垂直于基板向外的輻射模式，對環(huán)形貼片饋電時工作在915 MHz，此時產(chǎn)生平行于基板的全向輻射模式.文獻[13]設計了一款應用于體域網(wǎng)的雙模式單頻帶可穿戴天線，其曲折貼片用于離體模式，沿基板斜上方輻射，環(huán)形貼片用于身體模式，沿垂直于基板方向向外輻射.

筆者設計一款可應用于5.8 GHz ISM頻段的兩單元可穿戴天線，單獨對兩個端口饋電時，可分別產(chǎn)生平行人體表面的全向輻射以及垂直人體表面的定向輻射.考慮到天線尺寸及間距帶來的單元間耦合，通過采用在公共地面開槽的技術(shù)，在保持原天線尺寸的前提下，減少天線單元間耦合，從而降低天線單元彼此間的影響.

1 天線結(jié)構(gòu)及原理

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由一個平面倒F天線和一個單極子天線組成，其中左側(cè)(端口1)的平面倒F天線可實現(xiàn)垂直人體表面(+Z軸方向)的定向輻射及地面、墻壁散射信號的接收.右側(cè)(端口2)的單極子天線可實現(xiàn)平行人體表面(XY平面)的水平全向輻射及沿人體表面?zhèn)鞑サ呐佬胁ǖ牟杉?因此，可解決天線穿戴在人體時不同無線場景帶來的信道衰弱問題.

圖1 天線結(jié)構(gòu)

天線采用的介質(zhì)基板均是厚度為0.8 mm的FR4板材，其相對介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.02，天線整體尺寸為29 mm×15 mm×6.8 mm.左側(cè)單元在微帶貼片的基礎上加載短路柱，提高了天線的頻帶寬度；右側(cè)單元在頂端加載半徑為4.5 mm圓盤，并引入一根短路柱，降低天線的高度，使天線更好滿足可穿戴需求.考慮到天線兩單元間距很小(約0.048 λ@5.8 GHz)，存在一定的耦合，所以在公共地面上開槽，以提高天線單元間隔離度.

筆者采用Ansys公司的HFSS Ver.15對天線單元進行仿真優(yōu)化,圖2為單元1參數(shù)優(yōu)化結(jié)果.在對單元1進行分析的過程中發(fā)現(xiàn)，貼片沿X軸方向的長度變化對天線諧振點的影響很大，從圖2A可看出，隨著貼片單元長度的增加，諧振點向低頻移動，當長度為12.7 mm時，天線諧振頻率為5.8 GHz.貼片沿Y軸方向的寬度變化同樣會對天線諧振點帶來影響，從圖2B可看出，隨著寬度的增加，諧振點向低頻移動，而寬度為11 mm及11.5 mm時，優(yōu)化結(jié)果相近，但比較兩種寬度下的天線帶寬及諧振點后，寬度最終選為11 mm.Y軸方向取9 mm時，對短路點在X軸位置對頻率的影響進行了分析，優(yōu)化結(jié)果如圖2C所示.從圖2C可知，短路點往+X軸方向移動時，諧振點往高頻移動.繼而對短路點在Y軸的位置對頻率的影響進行了分析，其結(jié)果與圖2C相似，在9 mm附近時，天線諧振點變化不大，因此最終取短路點坐標為(9,9).

圖2 單元1參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

天線單元2為頂端加載的單極子天線，天線的高度及圓盤直徑均對天線諧振頻率產(chǎn)生影響，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示.優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，隨著圓盤直徑的增大，天線諧振點向低頻移動(見圖3A)，而圖3B描述的是天線高度對天線回波損耗的影響，可以看出天線高度增加使天線諧振點向低頻移動.在滿足天線諧振頻率、頻帶需求的前提下，考慮天線整體尺寸，最終取圓盤直徑為9 mm、單極子高度為6.8 mm.圖3C為對短路柱位置進行分析的結(jié)果，可以看出隨著短路柱中心和饋電中心距離的增大，諧振點向高頻移動，當兩者距離為3 mm時，諧振頻率為5.8 GHz，并且能夠很好地覆蓋該頻段.

圖3 單元2參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

由于可穿戴天線需要具有較小的尺寸，該文兩天線單元間距僅為0.048 λ，遠小于半波長，從而會產(chǎn)生一定的耦合，為增強天線的分集效應，需對天線減耦.筆者在不改變天線整體尺寸的前提下，通過在公共地面上的開槽處理，實現(xiàn)減耦.圖4為槽線長度對天線單元間隔離度的影響.從圖4中可以看出，地面開槽可提高單元間的隔離度.槽線長度優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，當槽線長度為12 mm(約1/4 λ長)時，隔離度提高了4 dB，使得5.8 GHz ISM頻段天線單元間隔離度大于15 dB，減耦效果明顯.

圖4 槽線長度對天線單元間隔離度的影響

2 仿真與測試

按照優(yōu)化設計得到的尺寸進行基板切割，并在其表面貼附銅皮，制作了天線實物(見圖5).如圖6所示，將天線綁在手腕上，使用ZNB 20 GHz兩端口矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試，可以得到端口1的仿真和實測參數(shù)(見圖7).從圖7可以看出，實際測量結(jié)果和仿真基本一致，只是實測諧振點相較于仿真往高頻稍許偏移.圖8為單元1的仿真和實測的XZ和YZ平面方向圖.由圖8可以看出，實測和仿真比較吻合，單元1的實測輻射方向圖主要集中在+Z方向，因此輻射方向圖滿足設計要求.

圖5 天線實物整體示意圖 圖6 手上天線實測圖

圖7 端口1的仿真及實測參數(shù) 圖8 單元1的YZ及XZ平面方向圖

端口2的仿真和實測參數(shù)如圖9所示.由圖9可見，實測單元諧振點發(fā)生了一定偏移，帶寬也比仿真時窄，人體實測時低頻產(chǎn)生了一個新的諧振點，但總體上還是可以實現(xiàn)對5.8 GHz ISM頻段的覆蓋.圖10為單元2的XY平面方向圖.從圖10可以看出，從仿真結(jié)果來看，該單元具有較好的全向輻射性能.

圖9 端口2仿真及實測參數(shù) 圖10 單元2的XY平面方向圖

3 結(jié)束語

筆者設計了一款可應用于5.8 GHz ISM頻段的具有多方向圖分集特性的可穿戴天線.該天線單元1通過加載短路柱，縮小了天線的整體面積，單元2通過加載短路柱，降低了天線的高度，公共地面開槽提高了單元間隔離度.測試結(jié)果表明，天線覆蓋了5.8 GHz ISM頻段，實現(xiàn)了全向輻射和定向輻射，能滿足人體穿戴設備的通信需求.