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

現代社會中，運動性猝死在各類運動場所中時有發生，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、抑制多徑效應等優點得到很多研究者的關注[1～4]。基于運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。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，且帶寬覆蓋WLAN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

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。可以看出，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，實現圓極化超寬帶輻射。考慮到饋電線與輻射貼片間的不連續性，在連接處切對稱的三角形槽，增加連續性，優化阻抗帶寬。左上方的對角上加矩形貼片實現小型化和減小耦合。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。