超寬帶紐扣式天線與人體之間的相互影響研究

于松濤 龔書喜 劉 英 洪 濤 姜 文

（西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710071）

引 言

以人體為中心的通信系統(tǒng)可應(yīng)用于體育、軍用、醫(yī)療等領(lǐng)域，例如人體健康監(jiān)控，消防救援等.織物天線使用織物材料作為天線的介質(zhì)，與傳統(tǒng)天線形式相比，織物天線具有良好的柔韌性，并且可以集成到人的衣物上，應(yīng)用于以人體為中心的通信系統(tǒng)（Body-centric Wireless Communications System，BWCS）中，與手機(jī)，電腦等個(gè)人移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通訊，從而應(yīng)用于各種個(gè)人通信業(yè)務(wù)中，為新一代的移動(dòng)通信提供更大的設(shè)計(jì)靈活性.織物天線形式多樣、結(jié)構(gòu)靈活，可舒適地穿戴于人體，既具有一定的隱秘性，又可滿足各種通信系統(tǒng)需求，近年來成為了眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn).

對于織物天線，大多數(shù)學(xué)者的研究主要集中在由柔性織物材料制成的平面天線及其與人體共形時(shí)的性能變化［1-4］.但是這種柔性平面天線受到壓迫時(shí)，很容易發(fā)生彎曲變形，使得天線不能正常工作.因此有學(xué)者提出了紐扣式天線［5-6］，這種紐扣式天線由于是采用金屬材料制成，不會發(fā)生變形，并且可以作為紐扣附加在衣物上，具有很好的隱蔽性.

由于超寬帶天線［7-9］在數(shù)據(jù)傳輸中具有耗能小，功率低的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于以人體為中心的通信系統(tǒng).采用了工作在超寬帶頻段的紐扣式天線.該天線可以被當(dāng)作紐扣很方便地集成到衣物上，從而在通信系統(tǒng)中不必再為天線提供額外的空間，并且對使用者而言，該天線具有很好的隱蔽性和舒適性.由于在實(shí)際應(yīng)用中，天線將工作在人體附近，而人體作為介質(zhì)將影響天線的性能，因此著重研究了天線與人體之間的相互影響，討論了當(dāng)天線在人體附近不同頻率時(shí)天線輻射性能受到的影響，以及兩天線在人身體上不同位置時(shí)的相互傳輸性能所受到人體的影響，同時(shí)也通過對天線電磁波吸收輻射率（Specific Absorption Rate，SAR）值的仿真研究了天線對人體的輻射影響.這部分內(nèi)容已有文獻(xiàn)研究的很少.仿真和實(shí)測結(jié)果表明，天線在人體附近工作時(shí)具有良好的輻射性能，同時(shí)對人體的影響符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，適用于以人體為中心的通信系統(tǒng).

1 天線的結(jié)構(gòu)與輻射性能

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線主要由一個(gè)金屬圓錐和一個(gè)金屬圓柱結(jié)合組成.天線的介質(zhì)為介電常數(shù)為1.3的織物材料，介質(zhì)的介電常數(shù)通過雙層帶狀線法［10］測量得出.天線地板為與天線介質(zhì)等大的正方形金屬地板.天線通過穿過地板中心的同軸線進(jìn)行饋電.圓錐的漸變結(jié)構(gòu)使得天線具有多個(gè)諧振點(diǎn)，可有效的提高天線帶寬.天線的各參數(shù)通過Ansoft公司的HFSS 13仿真優(yōu)化得到，如表1所示.

表1 天線參數(shù)

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

天線仿真和實(shí)測S11曲線如圖2所示，從圖2中可以看出實(shí)測和仿真的天線S11曲線吻合良好.天線在6，10GHz時(shí)的E面和H面仿真和實(shí)測方向圖如圖3所示，從圖中可以看出天線的實(shí)測方向圖與仿真方向圖吻合良好，天線的H面方向圖具有良好的全向性，并且在整個(gè)頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定.相較于一般的超寬帶天線，本天線的輻射方向圖在高頻處保持了良好的全向性，沒有發(fā)生裂瓣，由于著重討論天線與人體之間的關(guān)系，因此對天線的設(shè)計(jì)過程和輻射性能不再著重討論.

圖2 天線仿真與實(shí)測S11對比圖

圖3 天線的仿真和實(shí)測方向圖

2 人體與天線之間的影響

2.1 天線對于人體的影響

由于天線將工作在人體附近，通過天線的SAR值來研究天線對人體的影響，特別是天線對人頭部的電磁影響.SAR即為單位質(zhì)量生物組織吸收的電磁功率與生物組織質(zhì)量之比，其數(shù)值的大小反應(yīng)了天線對人的電磁影響程度.為了研究本天線的SAR值，使用HFSS電磁仿真軟件仿真了天線對人體頭部和人體上半身的SAR值.

其中，人體部分組織的介電常數(shù)由公式1和表2得出［11-12］，如表3所示.

式中：ε∞是材料在太赫茲時(shí)的介電常數(shù)；σj是離子電導(dǎo)率；εm，τm和αm是材料的每個(gè)離散區(qū)間參數(shù).

表2 人體組織參數(shù)

表3 人體組織在不同頻率時(shí)的介電常數(shù)

如圖4所示，頭部仿真模型由腦組織液和球形外殼組成，其中腦組織液和球形外殼用于模擬簡易的人體頭部模型［13］.腦組織液的相對介電常數(shù)見表3，外殼的相對介電常數(shù)為4.6.同時(shí)使用一個(gè)四層橢圓形圓柱體表示人體的上半身，外層為皮膚平均厚度為2mm；第二層為脂肪，平均厚度為5mm；第三層為肌肉，平均厚度為10mm；第四層為內(nèi)臟，厚度大于30mm，各組織的相對介電常數(shù)見表3，其中為了便于仿真，用心臟的介電常數(shù)作為了人的內(nèi)臟的介電常數(shù).分別假設(shè)天線位于人體肩部和胸部，天線對人體最大SAR仿真結(jié)果如表4和表5所示，其中人腦處最大的SAR為0.9w／kg，人胸部最大的SAR為0.8w／kg，小于國際非電離輻射防護(hù)委員會規(guī)定限值：2w／kg.

圖4 人體頭部模型

表4 人腦在不同頻率時(shí)的最大SAR值

表5 人胸部在不同頻率時(shí)的最大SAR值

2.2 人體對于天線的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，紐扣式天線需要在人體附近工作，而人體作為介質(zhì)，會對天線性能產(chǎn)生影響.因此下面討論人體對于天線的影響.天線首先被放置在距人胸部8mm處，其中天線的地板與人的胸部平行，8mm的空隙是為SMA接頭留出的放置空間.與天線被放置在空氣時(shí)相比，此時(shí)實(shí)測的天線S11變化很小，如圖5（a）所示.同時(shí)當(dāng)人運(yùn)動(dòng)時(shí)，天線的性能有可能受到影響，因此研究了天線在人的手臂處于不同狀態(tài)時(shí)，天線S11的變化，如圖5（b）所示.從圖5（b）中可以看出，手臂的舉起與放下對天線S11的影響很微弱.

圖5 在人體附近時(shí)天線S11的對比圖

圖6為4GHz和10GHz時(shí)，天線放置在空氣中和人體胸上的對比方向圖，其中人體模型采用了表3給出的各組織在4GHz和10GHz時(shí)的介電常數(shù).可以看出，天線方向圖受到的影響不大.因此當(dāng)天線放置在人胸部時(shí)，天線輻射性能基本不變.這是由于天線的地板已經(jīng)足夠大，減小了人體對于天線的影響.

圖6 天線在空氣中和在人體附近時(shí)的方向圖

由于在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要多個(gè)天線同時(shí)工作以覆蓋整個(gè)空間，而多天線放置于同一平臺時(shí)，有可能因互耦而影響天線的性能.因此下面對兩個(gè)紐扣式天線之間的隔離度進(jìn)行了測量.圖7是天線在人體上可能放置的幾個(gè)位置.當(dāng)兩個(gè)紐扣式天線放置在肩部時(shí)（點(diǎn)1-點(diǎn)2），與兩天線保持相同距離在空氣中時(shí)的測量結(jié)果相比，如圖8（a）所示，天線之間的隔離度增大了約10dB，這是由于頭頸部的存在阻礙了天線之間的傳輸.而當(dāng)兩個(gè)紐扣式天線放置在胸部襯衣紐扣的位置時(shí)（點(diǎn)3-點(diǎn)4），與在空氣中時(shí)相比，如圖8（b）所示，天線之間的隔離度基本不變，這是由于人體胸部是平坦的，對于天線之間的傳輸沒有阻礙作用.圖8（c）給出了一個(gè)天線放置在點(diǎn)5，而另一天線分別放置在點(diǎn)6，點(diǎn)7和點(diǎn)8時(shí)的隔離度，其中點(diǎn)8在人的背后，可以看出點(diǎn)5到點(diǎn)7相較于點(diǎn)5到點(diǎn)6，天線之間的隔離度有所增加，這主要是由于天線之間距離的增加所造成的，而點(diǎn)5到點(diǎn)8，兩個(gè)天線之間的隔離度相較于其它兩條曲線則明顯增大，這顯然是由于人體軀干的存在阻礙了天線之間的傳輸.兩天線在人肩部以及前后兩側(cè)時(shí)隔離度的增大表明天線的抗干擾能力強(qiáng)，有利于紐扣式天線與人體外的天線進(jìn)行通信，也更利于日后將多個(gè)天線設(shè)置于人體的不同位置，以覆蓋整個(gè)空間.

圖7 天線在人身體上的不同位置點(diǎn)

圖8 兩天線在不同位置時(shí)的S21對比圖

3 結(jié) 論

基于一種采用織物材料為介質(zhì)的超寬帶紐扣式天線，討論了天線與人體之間的相互影響，分析了在不同頻率時(shí)天線的回波損耗和方向圖受到的影響，兩個(gè)天線在空氣中和人體上不同位置時(shí)，天線之間的隔離度的變化，以及通過對SAR值的仿真，來表明天線對人體的輻射影響.仿真和實(shí)測結(jié)果表明天線的結(jié)構(gòu)使得天線的地板有效地減小了天線放置在人體胸部時(shí)人體對天線輻射性能的影響和天線對人體的影響.兩天線放置于人體的肩部兩側(cè)及胸前和背部時(shí)，天線之間的傳輸系數(shù)增大，這也有利于未來在人體附近放置多天線以覆蓋全空間，天線對人體的輻射影響符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜上所述，該天線適用于以人體為中心的通信系統(tǒng).

［1］PAUL D L，GIDDENS H，PATERSON M G，et al.Impact of body and clothing on a wearable textile dual band antenna at digital television and wireless communications bands［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2013，61（4）：2188-2194.

［2］MONTI G，CORCHIA L，TARRICONE L.UHF wearable rectenna on textile materials［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2013，61（7）：3869-3873.

［3］KAIVANTO E K，BERG M，SALONEN E，et al.Wearable circularly polarized antenna for personal satellite communication and navigation［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2011，59（12）：4490-4496.

［4］MOHD RAIS N H，SOH P J，MALEK M F A，et al.Dual-band suspended-plate wearable textile antenna［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12：583-586.

［5］SANZ-IZQUIERDO B，BATCHELOR J C，SOBHY M.UWB wearable button antenna［C］／／First European Conference on Antennas and Propagation.Nice，Nov 6-10，2007：1-4.

［6］SANZ-LZQUIERDO B，MILLER J A，BATCHELOR J C，et al.Dual-band wearable metallic button antennas and transmission in body area networks［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，4（2）：182-190.

［7］鐘順時(shí)，梁仙靈，延曉榮.超寬帶平面天線技術(shù)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（2）：308-315.ZHONG Shunshi，LIANG Xianling，YAN Xiaorong.UWB planar antenna technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（2）：308-315.（in Chinese）

［8］唐志軍，何怡剛，詹 杰，等.緊湊型共面波導(dǎo)饋電的超寬帶印刷天線設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27（3）：572-577.TANG Zhijun，HE Yigang，ZHAN Jie，et al.Design of coplanar waveguide fed printed antenna with compact size for ultra-wideband wireless applications［J］.Chinese Journal of Radio Science，2012，27（3）：572-577.（in Chinese）

［9］崔恒榮，陸云龍，沈 偉，等.雙阻帶特性的超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28（1）：137-147.CUI Hengrong，LU Yunlong，SHEN Wei，et al.Ultra-wideband monopole antenna with dual band notches［J］.Chinese Journal of Radio，2013，28（1）：137-147.（in Chinese）

［10］DAS N K，VODA S，POZAR D M.Two methods for the measurement of substrate dielectric constant［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1987，35（7）：636-642.

［11］HALL P S，HAO Y.Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications［M］.Norwood：Artech House，2006.

［12］GABRIEL C，GABRIEL S.Compilation of the Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies［EB／OL］.（2013-09-13）［2013-07-03］.http：／／niremf.ifac.cnr.it／docs／DIELECTRIC／home.html.

［13］李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2010.