用于UHF RFID和WLAN雙頻段的智能手套天線

呂湦奇 李霖 顧小衛

摘 要： 為解決智能手套中RFID（Radio frequency identification）閱讀器天線在WLAN頻段數據分發問題，設計了一種工作于UHF RFID和WLAN雙頻段的小型化可穿戴天線。采用非對稱共面技術縮小天線接地面積，通過折疊天線輻射體實現雙頻工作，同時可進一步縮小天線面積。將天線附著于不同材質的手套及不同穿戴者身上測試天線的魯棒性，對輻射方向圖與比吸收率進行仿真分析以驗證天線的輻射特性與安全性。結果表明：天線在900 MHz和2.40 GHz處實測工作頻段分別為0.69～1.03 GHz、1.29～3.00 GHz，可實現UHF RFID與WLAN頻段通信。改變手套材質和測試者體型時，天線仿真與實測回波損耗相接近，具有較寬帶寬。該天線設計簡單、性能穩定，且輻射方向穩定，對人體危害較小，在智能手套領域具有一定應用前景。

關鍵詞： 智能手套；UHF；WLAN；非對稱共面；天線

中圖分類號： TS820

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2023） 01-0097-07

引文格式：呂湦奇，李霖，顧小衛. 用于UHF RFID和WLAN雙頻段的智能手套天線［J］. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（1）：97-103.

Reference Format： L Shengqi， LI Lin， GU Xiaowei. Smart glove antenna for UHF RFID and WLAN dual-band applications［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（1）：97-103.

Smart glove antenna for UHF RFID and WLAN dual-band applications

L Shengqi， LI Lin， GU Xiaowei

（School of Information Science and Technology， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to solve the problem of data distribution in the WLAN frequency band of the RFID （radio frequency identification） reader antenna in smart gloves， a miniaturized wearable antenna that works in both UHF RFID and WLAN frequency bands is designed. The antenna adopts asymmetric coplanar technology to reduce the ground area of the antenna， and realizes dual-frequency operation by folding the antenna radiator， which further reduces the antenna area at the same time. To verify the robustness of the antenna， the antenna was attached to gloves of different materials and tested on different wearers. In order to reflect the radiation characteristics and safety of the antenna， we analyzed the simulation results of the radiation pattern and specific absorption rate. The results show that the measured working frequency bands of the antenna at 900 MHz and 2.40 GHz are 0.69-1.03 GHz and 1.29-3.00 GHz， respectively， which can realize the communication between UHF RFID and WLAN frequency bands. When the glove material and the tester′s body shape are changed， the antenna simulation is close to the measured return loss and has a wider bandwidth. The antenna， simple in design， stable in performance and radiation direction， does little harm to the human body and has certain application prospects in the field of smart gloves.

Key words： smart gloves; UHF; WLAN; asymmetric coplanar strip; antenna

0 引 言

隨著無線通信技術和集成電子技術發展，以人體為中心的無線通信網絡，即無線體域網（Wireless body area network， WBAN）得到了廣泛關注［1-2］。各種附著于可穿戴物的智能化穿戴設備在WBAN中得到了應用，如智能鞋帽、智能手套等［3-5］。相對于智能鞋帽等智能穿戴物，智能手套輕便易用，已在可穿戴應用領域引起廣泛研究。這種新型手套可穿戴設備最初用于構建支付系統，實現觸碰支付。隨著技術的發展，智能手套的應用范圍持續擴大，已經應用于手勢識別、人機交互等WBAN系統中［6-7］。在各種WBAN系統中，智能手套特別適用于基于射頻識別（Radio frequency identification， RFID）技術構建的WBAN系統。這種新型WBAN具有傳感節點電路簡單、剛性元件少和功耗低等優異特性，已成為近年來最受關注的WBAN系統。因此，基于RFID技術研發的智能手套在新型可穿戴領域具有現實意義。

在基于RFID技術構建的WBAN系統中，智能手套既可用于集成射頻標簽，實現用戶定位、環境信息檢測等功能［8-9］，也可用于集成射頻閱讀器，讀取標簽節點的傳感數據［10］。天線作為智能手套系統的關鍵部分，其小型化程度決定了整個智能手套系統的便攜性。近年來，眾多學者對應用于智能手套的穿戴天線做了各方面的研究，并已取得初步成果。Ahmed等［11］分別采用開槽貼片和開口環方案設計了兩種工作于866 MHz閱讀器天線，這兩種天線的輻射增益分別為-2.2 dB和-4.0 dB，在UHF RFID頻段內具備良好匹配特性；改變天線與手套之間距離后，天線穩定的反射系數分別為-20.0 dB和-12.0dB，表明其魯棒性較好。Singh等［12］設計了一種用于智能手套的八木型天線，該天線具備良好的定向性，適合數據定向讀取，且其面積較小，適合集成于手套表面。手掌進行不同程度彎曲后，如果天線的反射系數穩定，那么表明天線的魯棒性較好。然而，盡管智能手套天線在小型化、輻射特性和魯棒性等方面均取得一定進展，但其單一模式的通信方式只能保證手套上的閱讀器讀取標簽數據，要實現WBAN多傳感節點的數據融合，那么閱讀器需具備無線聯網功能，以實現數據傳送、數據分享和數據處理。為實現集成于智能手套上的射頻標簽閱讀器的聯網需求，Singh等［13］提出了一種結構緊湊的可穿戴雙頻準八木RFID閱讀器天線，矩形折疊偶極子和菱形折疊偶極子構成的雙頻元件分別對應UHF RFID和WLAN頻段，實現UHF RFID頻段定向輻射和WLAN頻段全向輻射。這種雙頻天線的優勢在于縮減了輻射元件的數量，減少了設備內部天線占用體積，保障了整個智能手套系統的便攜性和穿戴舒適性。但這種天線結構較為復雜，對制作工藝要求較高，無法廣泛應用。

本文針對智能手套UHF RFID閱讀器天線聯網傳輸數據需求，為了解決前人天線設計不足之處，設計了一種適用于UHF RFID和WLAN的雙頻（900 MHz諧振UHF RFID頻段和2.40 GHz諧振）緊湊型天線。該天線利用非對稱共面饋電結構實現小型化特性，采用折疊結構為天線雙頻諧振提供解決方案。為了驗證天線各項性能，本文制作了天線實物，并對天線的輻射能力、魯棒性和電磁輻射危害進行了測試；通過仿真多層人體模型和模擬人體穿戴環境對該天線的回波損耗、輻射方向圖和人體比吸收率（Specific absorption rate， SAR）參數進行分析。該雙頻段天線為UHF RFID智能手套閱讀器聯網傳輸數據提供新的解決方案，在智能手套領域具有一定的應用前景。

1 天線結構設計

相較于常規天線設計，應用于智能手套的穿戴天線需要特別考慮以下要求：a）由于天線安裝于介電常數較高的人體附近，需考慮人體加載效應對天線性能的影響。b）天線應采用共面波導饋電，實現天線單面化，以方便天線和芯片的連接。c）天線要盡可能小型化，以方便天線在手套表面的安裝。

分析人體加載對天線性能的影響，可建立人體模型，并在人體模型上對天線進行仿真。人體模型分為三種：一是由一定厚度的單層介質構成的單層人體模型［14］；二是由多層介質構成的多層人體模型，包括皮膚、脂肪和肌肉［15］；三是三維精確人體模型［16］。考慮到單層模型過于粗糙，而三維精確人體模型計算效率太低，本文采用多層人體模型模擬天線鄰近人體環境，該人體模型示意圖如圖1所示，各層介質的相對介電常數、體導率與厚度參數［17-18］見表1。考慮到天線的雙頻工作特性，表1同時給出了不同厚度介質層在900 MHz和2.40 GHz處的介質參數。

考慮到共面化和小型化的需求，本文在設計中采用了共面波導饋電的單極子天線，單極子的長度l可用式（1）計算［19］：

l=c4fεr（1）

其中：εr表示計入人體加載效應后天線介質基板的等效介電常數；c為電磁波在真空中傳播速度，m/s；f為諧振頻率，GHz；l為工作諧振頻率對應波長，mm。

取單極子天線的諧振頻率為900 MHz，利用式（1）求得天線的總長約為80.0 mm。通常而言，成人的手掌面積約為6400～8100 mm2（不包含手指部分）。顯然，80.0 mm長度的單極子天線尺寸過長，難以安裝在手套上。為滿足智能手套上的應用需求，本文對天線做折疊處理，同時優化天線尺寸。所設計的天線主要由輻射面、介質基板和接地面組成，折疊前后天線結構版圖如圖2所示。介質基板材料為FR4，介電常數εr為4.40，損耗正切角為tanδ為0.02，厚度為h為1.0 mm。折疊前后天線參數值見表2與表3。

與常規的對稱共面波導饋電單極子天線不同，本文采用非對稱共面波導饋電方式來設計天線。這種饋電結構僅具有單側橫向接地面，可省去另一側的接地面，大幅減小天線饋電結構的尺寸。

此外，天線的輻射部分采用折疊結構，折疊后天線結構如圖2（b）所示。折疊結構除了減小天線尺寸外，也會對天線的回波損耗特性產生影響。為驗證彎折結構對天線性能影響，本文利用Ansys HFSS軟件對圖2中折疊前后天線進行仿真。兩種結構天線均采用多層人體模型。兩者折疊前后的仿真回波損耗與頻率關系曲線如圖3所示，從圖3中可以觀察到，折疊后天線的第二頻帶從2.20 GHz移到2.40 GHz。第二頻帶的偏移主要原因在于天線中部折疊靠近地面后產生了寄生電容，使得天線第二頻帶比第一頻帶擴大，因此天線可以在900 MHz和2.40 GHz工作，同時滿足UHF RFID和WLAN工作需求。從圖2（b）可知，天線整體面積約為2288 mm2，滿足成人手套安裝需求。

2 天線性能驗證

為驗證天線的各項性能，本文根據設計方案制作了天線，并進行測試；分析仿真實測結果。利用AV3656A型號矢量網絡分析儀測得該天線回波損耗參數，其歸一化方向圖數據借助Ansys HFSS軟件仿真。

2.1 回波損耗測試

實物測試時，采用3M納米雙面膠將天線固定于手套表面，由測試者穿戴手套進行測試；對比仿真與實測結果。手套照片如圖4（a）所示，天線仿真與實測回波損耗數據如圖4（b）所示。實測和仿真結果表明，該天線具有900 MHz、2.40 GHz雙工作頻段。受儀器測試頻帶影響，實測數據在0～3.00 GHz范圍內。仿真結果顯示，900 MHz處工作帶寬為260 MHz（0.84～1.10 GHz），2.40 GHz工作帶寬為1230 MHz（1.77～3.00 GHz）。實測結果顯示，該天線同樣諧振在900 MHz、2.40 GHz頻點處，900 MHz處工作帶寬為340 MHz（0.69～1.03 GHz），

2.40 GHz處工作帶寬為1210 MHz（1.79～3.00 GHz）。上述結果表明，該天線能夠同時滿足UHF與WLAN頻段要求，較寬的頻帶能夠克服人體鄰近所產生頻點偏移現象。實測結果與仿真結果具有一定程度偏差，主要原因在于天線制作中的加工公差以及測試環境中存在干擾信號。

2.2 方向圖仿真分析

為分析900 MHz與2.40 GHz時方向圖輻射模式，天線根據圖1的人體模型進行仿真，得到的歸一化輻射方向圖如圖5所示。仿真時，天線與人體間距為1.5 mm，工作頻率分別設為900 MHz和2.40 GHz。900 MHz時，XOZ平面內天線具有圓形輻射方向圖，YOZ平面內天線方向圖發生略微偏移，但仍能沿Z軸正半軸傳播，最大增益為-10.4 dB。2.40 GHz時，XOZ與YOZ平面方向圖近似上半球面，最大輻射增益為-3.9 dB。在900 MHz與2.40 GHz處，兩者前后增益比分別為4.9 dB和15.7 dB。仿真結果表明，天線能夠克服人體加載效應，具有穩定的增益與定向輻射效果。

2.3 天線魯棒性分析

本文設計的天線需用于智能手套穿戴應用中，作為穿戴式設備，天線在實際應用中會受到人體因素影響。因此，是否具有較好的魯棒性是決定天線抵抗人體干擾的關鍵因素。為進一步驗證天線魯棒性，本文針對手套材質、穿戴者體型兩者情況，通過改變智能手套材質、穿戴者體型，對待測天線回波損耗的影響進行研究。

2.3.1 不同材質手套對天線回波損耗的影響

為研究不同材質手套對天線性能影響，分別取牛津布、純棉兩種布料制成的手套穿戴在測試者手上，且天線粘貼固定于手套表面。將天線連接到矢量網絡分析儀端口進行測試，測試結果如圖6所示，提取圖6中最低諧振點值及低于-10 dB數據，整合手套材質參數及測試結果見表4。結果表明受手套布料影響，天線與不同材質手套集成時諧振點會產生一定程度偏移，信號傳輸能力也會變化。但是頻帶仍能覆蓋UHF RFID與WLAN頻段，回波損耗低于-10.0 dB。

2.3.2 不同體型穿戴者對天線回波損耗的影響

智能手套作為一款面向大眾的產品，受眾群體廣泛，需具備較強的適用性。考慮到穿戴者身體結構之間差異，需研究不同穿戴者對天線性能影響。本文采用控制變量方法進行測試，受試者均為同等身高不同體重標準體型男性。3種體型受試者測量結果如圖7所示，提取圖7中最低諧振點值和低于-10 dB值，整合測試者健康狀況及測試結果后見表5。從圖7可以看出，所設計天線針對不同體型穿戴者時，諧振點與工作頻帶均會發生一定程度偏移，但是天線工作頻段依然能覆蓋所需UHF RFID與WLAN頻段。

2.4 人體輻射吸收率

可穿戴設備產生電磁輻射對人體具有一定危害，因此需要考慮天線的人體安全性，常用SAR評估人體對電磁波吸收程度來衡量天線安全性。目前，SAR根據兩個標準值進行評估：a）美國標準限制1 g人體組織中SAR限制為1.60 W/kg；b）歐盟標準限制10 g人體組織中SAR限制為2.00 W/kg。為降低可穿戴設備對人體危害，應將SAR控制合理范圍內。對本文設計的天線進行SAR評估，鑒于實測所用的網絡矢量分析儀輸出功率為10 mW，在HFSS軟件中設定10 mW天線輸入功率，將天線置于多層人體組織上進行SAR仿真，得到不同頻率SAR結果圖如圖8所示。仿真得到900 MHz處的SAR值在1 g人體組織下為0.04 W/kg，2.40 GHz處的SAR值在0.17 W/kg，兩者的SAR值均明顯低于國際標準，表明該設備工作時天線所產生的電磁輻射不會對人體造成危害。

3 結 論

本文設計了一種應用于智能手套閱讀器的雙頻天線，諧振在900 MHz、2.40 GHz處，支持UHF RFID與WLAN雙頻工作。該天線采用非對稱共面饋電結構縮小地面面積，其簡化的單層饋電結構減小了天線剖面尺寸；對比折疊前后天線回波損耗結果，發現折疊后的天線能夠實現雙頻覆蓋，同時能夠縮減天線尺寸。為驗證所提天線輻射能力、魯棒性和電磁輻射危害，對其輻射方向圖、回波損耗和SAR參數進行測試。測試結果表明：該天線諧振在900 MHz和2.40 GHz處，工作帶寬分別為0.69～1.03 GHz和1.79～3.00 GHz，對應最大增益分別為-10.4 dB和-3.9 dB。該天線面對牛津布、純棉兩種材質手套時，天線在900 MHz處分別具有360、430 MHz帶寬，在2.4 GHz處分別具有1300、1220 MHz帶寬；面對標準、偏瘦和偏胖體型穿戴者時，天線在900 MHz處分別具有400、360、520 MHz帶寬，在2.4 GHz處分別具有1260、1100、1500 MHz帶寬，均具有較高的魯棒性，適用于復雜工作環境。該設計方案針對傳統智能手套UHF RFID閱讀器采集傳輸數據問題，為具備聯網功能的閱讀器設計提供可行的天線方案。本文智能手套天線中采用FR4基板不具備穿戴舒適性，后續改進中，將針對柔性基材舒適性和天線魯棒性展開研究，進一步完善天線。

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（責任編輯：康 鋒）

收稿日期： 2022-07-03? 網絡出版日期：2022-09-14網絡出版日期

基金項目： 激光與物質相互作用國家重點實驗室開發基礎研究課題（SKLLIM2113）

作者簡介： 呂湦奇（1997- ），男，江蘇揚州人，碩士研究生，主要從事微波技術與天線設計方面的研究。

通信作者： 李 霖，E-mail：lilin_door@hotmail.com