一种新型超低剖面的周期性缺陷地可穿戴天线

段中航，逯贵祯，刘啸岚

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

一种新型超低剖面的周期性缺陷地可穿戴天线

段中航，逯贵祯，刘啸岚

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

可穿戴天线为了适应穿戴要求，通常要求厚度很薄并且后向辐射小，以减免对人体的影响。微带天线可以减少后向辐射，但是当厚度变薄的时候，天线的辐射性能大大降低。为了满足穿戴天线对辐射性能和厚度的要求，本文对使用周期性缺陷地结构的超低剖面(0.5mm)微带天线进行了研究，在微带天线辐射缝隙位置，采用周期结构提高超低剖面微带天线的辐射性能，同时又可以降低微带天线的后向辐射。仿真及实验结果表明这种周期性缺陷地结构对天线性能有着显著的提升，且对人体更加安全。

低剖面天线；周期结构；可穿戴天线；缺陷地结构

1 引言

随着智能设备的快速发展，可穿戴式的智能设备逐渐成为了当前最火热的研究领域。一般的，智能设备需要与其他设备之间进行大量的数据交换，这就对可穿戴设备的有线及无线通信方式产生了一定的需求。对可穿戴智能设备而言，有线通信通常是较为累赘的，人体的任何动作都可能受到连线的影响，而使用微小型天线进行无线通信才是最为方便且容易实现的。如此一来也就对适用于可穿戴设备的新型可穿戴天线有了很大的需求。作为穿戴天线，要求天线在适应穿戴环境的同时，应当具有向后辐射小、天线厚度薄、辐射增益高等多个要求。微带天线作为穿戴天线可以基本适应穿戴设备的要求，国内外对此进行了大量的相关研究。

早期文献[1，2]等提出的可穿戴天线面积或剖面较大，影响了其可穿戴性；[3-6]中的可穿戴天线尽管都做到了低剖面化，厚度在1mm左右甚至更低，但它们都是全向天线，前后方向性基本一致，也就导致要么人体比吸收率(SAR，Specific Absorption Rate)会很容易超出规定范围，要么还需要在所应用的可穿戴设备上添加屏蔽层保证辐射安全，从而增加了结构复杂性和加工成本；[7，8]中的天线都是多层结构，厚度比较大，不适应低剖面化的需求；类似的多层结构还有文献[9-11]，采用磁导体作为微带天线的反射面来有效降低天线本身的厚度并改进天线性能，但是目前常见人工磁导体结构本身的厚度在常用通信频段仍然很大，使得天线加上反射面的厚度反而有所增加。最新的相关研究还有如文献[12-14]的织物天线，使用金属丝及多种材料3D打印的天线结构柔软，可以直接编织在衣物上，但性能易受影响；[15，16]的纸基天线，多用于射频识别等方面，剖面足够低，但天线设计复杂；最前沿的可穿戴天线就是[17-19]的石墨烯天线，被称为是最适合于可穿戴天线的天线类型，但目前相关研究仍在起步阶段，成本高昂。

本文针对目前穿戴天线在剖面与辐射性能等方面的问题，提出在微带天线辐射缝隙位置，采用周期性缺陷地结构(DGS，Defected Ground Structure)提高超低剖面微带天线的辐射性能，同时又可以得到很低的后向辐射。本文设计的一种中心频率在2.4GHz左右超低剖面(0.5mm)的具有周期性DGS的微带天线作为可穿戴天线，改进了多种其它天线在类似情况下的多项性能参数，对可穿戴天线及相关的天线设计有一定的价值和参考意义。

2 天线设计方法

人工磁导体是一块包含反射层、介质层以及地板的三层结构，通常放置在天线结构正后方的一定距离内。其原理是通过对反射层铺敷材料的周期性结构和材质进行一定的设计来对垂直入射的电磁波实现某一频率上的类似于磁导体的零相位角反射，但这样一来天线的整体厚度都基本上超过了3mm，剖面并不理想[20，21]。为了实现低剖面而又不损失性能，本文参考了人工磁导体的周期性结构，采用了在天线的辐射缝隙所在地面进行周期性DGS设计的方案，这种方案的基本思想是改善超低剖面微带天线辐射性能差的问题，同时又可以保留微带天线后向辐射小的优点。

一般DGS结构都是从等效电路原理来考虑其性能[22-24]，而人工磁导体则是考虑每个单元的反射系数和反射相位。要研究周期性DGS，本文也从其周期单元的性能出发来研究对天线整体性能的影响，所提出的周期结构的具体尺寸及其仿真模型如图1所示。

(a)HFSS中DGS单元仿真设计

(b)DGS单元底层尺寸 图1 HFSS仿真中DGS单元模型及尺寸 注：h：2mm，g：5mm，f：1.86mm，i：1.22mm

在图1中，红色的外框部分为底层的金属覆盖区域，中间的蓝色方块为被镂空露出介质的部分。将频率范围设置在2～3GHz的范围内，介质的相对介电常数3.66，损耗角正切0.004。在仿真的同时，对应天线剖面由高到低的变化，将周期单元的厚度h在Ansys HFSS 15的Floquet端口仿真中从2mm逐渐降低到0.1mm得出其反射相位角度及归一化的反射系数如图2所示。

(a)反射相位角

(b)归一化的反射系数 图2 不同厚度DGS单元性能参数

观察图2，可知反射相位在90°至30°之间变化，2.4GHz左右有99.94%左右的信号被反射回到了发射端口，表明这种小方框结构的反射性能很强，而且厚度的变化对整体性能的影响非常小，稳定性很高。尽管DGS单元没有达到人工磁导体所要求的0反射相位，但其在2-3GHz的频率范围内是处于人工磁导体±90°的带宽范围内的，再加上高反射率，使得此结构已经接近人工磁导体的性能了。所以，将此DGS作为天线的地是可行的。但方形微带天线辐射理论上一般是将上下两条边作为主要辐射缝隙，并考虑到反射相位不为零及简化天线设计等原因，本文中并没有将整个地板都设置为这种周期结构，而是以微带贴片的边界为中心在地板上仅放置了一圈周期结构，DGS天线结构如图4所示。

3 天线设计及仿真结果

本节首先对传统微带天线及其厚度变化后的性能参数进行仿真，然后对DGS天线进行同样的仿真进行对比。根据微带天线原理，可以计算出2.4GHz频率下，介质Rogers RO4350B，εr为3.66，损耗角正切0.004，介质厚度2mm时的微带贴片的理论尺寸为40.95×32.07mm。在HFSS中进行天线建模及仿真，并进行微带天线尺寸及性能优化后的天线模型如图3所示。同样的，红色部分为覆铜部分，蓝色为介质部分。为了低剖面化，将天线厚度h降为0.5mm，再进行仿真，两种情况下的天线性能如表1所示。为了使仿真结果尽可能的可靠，还使用CST STUDIO 2014对相同的结构进行了仿真，并对所得结果与HFSS同样列表比较。

分析表1的数据，可知两种仿真软件的结果非常相近。当厚度减为0.5mm时，传统天线的辐射性能降低很多，基本处于辐射很低的状态，而且由于天线厚度的变化使得中心频率产生了一定的偏移。上述仿真证明了仅仅通过减少天线厚度来实现超低剖面化是行不通的，还需要对天线进行其它改进以增强其在超低剖面下的性能表现。将本文提出的新周期性DGS天线进行建模及仿真，其结构如图4所示，同样的在2mm及0.5mm厚度下的性能如表2所示。从图中还可以看出，这种镂空结构同样也较大程度地避免了地的变动对馈线的影响。

对比表2与表1中的天线仿真结果，忽略周期性DGS对中心频率产生的偏移，两种厚度下的DGS天线的性能参数基本上都有10%以上的改善，尤其对于0.5mm的超低剖面情形而言，性能增强非常明显。这也就是说，在不改变天线的尺寸结构的条件下，通过这种周期性的优化设计，可以说是极大地改善了超低剖面情况下微带天线的性能参数。所有参数中只有前后比有所降低，但这也正是之前讨论周期单元的反射时所表现出来的，每一个周期单元归一化后的反射系数略小于1所造成的结果。

将0.5mm厚度下的天线表面的总电场分布绘出如图5所示，可见同样结构的天线表面在DGS的对应的位置出现了较低的分布。从电场分布来说也就是延长了天线贴片上下边界的高电场分布的长度，所以在不改变天线贴片尺寸的情况下从某种程度上加大了微带天线的电长度，从而增强了天线性能。

图3 微带天线模型及尺寸：(a)天线正面；(b)侧面；(c)背面 注：W1：68mm，L1：51.1mm，W2：48mm，L2：31.1mm，d：1.5mm，e：10mm

仿真程序天线厚度/mm馈线尺寸/mm天线长度(整体)/mm天线宽度(整体)/mm中心频率/GHzHFSS2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.40CST2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.36HFSS0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.49CST0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.44S11/dB-10dB带宽/MHz最大增益/dBi前后比/dB最大方向性系数/dB辐射效率/%-24.5954.506.7111.017.1889.79-13.8758.006.6611.748.0785.16-17.8518.805.4611.057.2067.14-11.2013.204.7811.136.9959.97

图4 DGS天线模型及尺寸：(a)天线正面；(b)侧面；(c)背面

仿真程序天线厚度/mm馈线尺寸/mm天线长度(整体)/mm天线宽度(整体)/mm中心频率/GHzHFSS2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.46CST2.010*1.531.1(51.1)48(68)2.48HFSS0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.66CST0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.69S11/dB-10dB带宽/MHz最大增益/dBi前后比/dB最大方向性系数/dB辐射效率/%-23.9059.406.7910.407.2091.04-15.7271.506.8811.396.6167.15-20.8520.806.1010.157.3774.62-14.4526.205.6010.167.2368.74

图5 0.5mm厚度下微带天线及镂空天线贴片的表面总电场分布：(a)微带天线；(b)DGS天线

4 实验结果

将天线结构进行加工后所得天线实物如图6所示，出于成本控制及实验效率等方面的考虑，仅加工了0.5mm下的DGS天线及对比用的微带天线实物。在微波暗室中使用安捷伦公司生产的E5071C网络分析仪及相关配套设施对同样0.5mm厚度的微带天线和DGS天线进行测试及分析，可得两种天线及其仿真的S11如图7，方向图如图8，实测天线各项性能数值如表3。

图6 0.5mm厚度的DGS天线实物：(a)天线正面；(b)地面

图7 DGS天线，微带天线实物及其HFSS仿真的S11曲线对比

图8 DGS天线，微带天线实物及其HFSS仿真的方向图对比 (a)DGS天线仿真方向图；(b)微带天线仿真方向图； (c)DGS天线实物方向图；(d)微带天线实物方向图

天线种类天线厚度/mm馈线尺寸/mm天线长度(整体)/mm天线宽度(整体)/mm中心频率/GHzDGS天线0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.68微带天线0.510*0.331.1(51.1)48(68)2.48S11/dB-10dB带宽/MHz最大增益/dBi前后比/dB最大方向性系数/dB辐射效率/%-20.3625.108.9310.509.66—-22.3622.008.4710.769.87—

实验结果与HFSS仿真的结果更为吻合。首先，图7表明相同结构的实物与仿真的S11的结果基本一致，只有很小的偏差。除了加工误差及测量误差的存在外，这个偏差还与实物加工时所采用的材质与仿真的理想介质之间的误差有关。尽管实物天线的中心频率距离2.4GHz有一定差距，但本文主要是对相同尺寸结构的天线所做的一系列研究，从而很好的体现出DGS对性能的影响，所以频率上的差距只需要对天线贴片的尺寸再按照所得规律进行优化仿真就可以消除，对本文结果的影响不大。两种天线的方向图存在一定区别，这与测试环境相关性较大，误差在所难免，但在同样条件下测试所得的表3来看，DGS天线相对微带天线在其它性能上的差距微乎其微，但其S11的-10dB带宽远好于微带天线，而且实物方向图显示出其-3dB宽度更好，也就是说覆盖面要大得多。所以，结合表1，2，3可知，实验结果与仿真及预期结果一致，可认为证明了本文所提出的结构对天线性能提升的作用。

为了证明DGS天线的人体安全性能，可将其在HFSS中进行SAR仿真。设人体皮肤厚度0.5mm，εr为3.3，损耗角正切0.03，密度1000kg/m3，肌肉组织厚度60mm，εr为41.4，电导率1.8S/m，密度1041kg/m3，将DGS天线距离人体1mm放置，分别在天线中心及馈线中心测得肌肉组织中SAR分布曲线如图9所示。在图9中，可见在如此贴近人体的情况下SAR峰值仅在1.06W/kg左右，且在大部分区域里低于0.4W/kg，远低于IEEE标准的2W/kg，证明DGS天线兼顾了超低剖面及人体辐射安全，具有相当的实用价值[25-27]。

图9 DGS天线的SAR仿真曲线

5 结论

经过仿真与实验，本文所提出的新型的具有周期性DGS的可穿戴天线具有以下特点：达到了0.5mm的超低剖面，相对其它可穿戴天线具有很大的优势；使用微带线馈电，规避了同轴及缝隙馈电方式对天线厚度的要求；后向辐射足够小，周期性的DGS对电磁波起到了足够的屏蔽作用，保证了人体安全；频率在2.4GHz左右，应用范围较广；天线增益较高，覆盖面较大，可通信范围也随之加大。天线在具有超低剖面的同时，尽管与结构最简单的传统微带天线尺寸一致，但除了在增益，前后比，最大方向性系数等方面并不弱于传统微带天线外，还具有更好的方向性和带宽，分别提升了22%及14%以上，充分说明了周期性DGS的重要作用。另外，天线的设计加工也并不复杂，结构简单，成本较低，事实证明本天线可广泛应用于各种可穿戴设备及可穿戴天线中。

[1]Matthews J C G，Pirollo B，Tyler A. Body Wearable Antennas for UHF/VHF[C]. Antennas and Propagation Conference，2008，LAPC 2008，Loughborough，IEEE，2008：357-360.

[2]Winterhalter C A，Teverovsky J，Wilson P. Development of Electronic Textiles to Support Networks，Communications，and Medical Applications in Future U.S. Military Protective Clothing Systems[J]. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine，2005，9(3)：402-6.

[3]Khan M M，Abbasi Q H，Alomainy A.Dual Band and Dual Mode Antenna for Power Efficient Body-centric Wireless Communications[C].IEEE International Symposium on Antennas and Propagation，IEEE，2011：396-399.

[4]Sun Y，Cheung S W，Yuk T I. Design of a Textile Ultra-wideband Antenna with Stable Performance For Body-centric Wireless Communications[J]. Microwaves Antennas & Propagation Iet，2014，8(15)：1363-1375.

[5]Qiu X，Mohan A S. The Performance of Dual-band CPW-fed Printed Antennas for Wireless Body-worn Applications[C]. Microwave Conference，2006，APMC 2006，Asia-Pacific，IEEE，2006：1722-1725.

[6]Klemm M，Locher I，Troster G. A Novel Circularly Polarized Textile Antenna for Wearable Applications[C]. Microwave Conference，2004，European，IEEE，2004：137-140.

[7]Hertleer C，Tronquo A，Rogier H. Aperture-Coupled Patch Antenna for Integration Into Wearable Textile Systems[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2007，6(11)：392-395.

[8]Sun H，Geyi W. A New Rectenna With All Polarization Receiving Capability for Wireless Power Transmission[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2015(15)：1-1.

[9]Jiang Z H，Brocker D E，Sieber P E.A Compact，Low-Profile Metasurface-Enabled Antenna for Wearable Medical Body-Area Network Devices[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2014，62(8)：4021-4030.

[10]Zhu S，Langley R. Dual-Band Wearable Textile Antenna on an EBG Substrate[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2009，57(4)：926-935.

[11]Elsheakh D N，Elsadek H A，Abdallah E A. Enhancement of Microstrip Monopole Antenna Bandwidth by Using EBG Structures[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2009，8(4)：959-962.

[12]Tahseen M M，Kishk A A. Practical Investigation of Different Possible Textile Unit Cell for a C-Band Portable Textile Reflectarray Using Conductive Thread[J]. Progress in Electromagnetics Research B，2016(66)：15-29.

[13]Paul D L，Giddens H，Paterson M G. Impact of Body and Clothing on a Wearable Textile Dual Band Antenna at Digital Television and Wireless Communications Bands[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2013，61(4)：2188-2194.

[14]Chen S J，Kaufmann T，Fumeaux C. Wearable Textile Microstrip Patch Antenna for Multiple ISM Band Communications[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium，IEEE，2013：1860-1861.

[15]Tentzeris M M，Vyas R，Lakafosis V. Inkjet-printed System-on-paper/polymer “Green” RFID and Wireless Sensors[C]. Electronic Components and Technology Conference， IEEE，2010：1552-1555.

[16]Shaker G，Safavi-Naeini S，Sangary N. Inkjet Printing of Ultrawideband(UWB)Antennas on Paper-Based Substrates[J]. Antennas & Wireless Propagation Letters IEEE，2011，10(1)：111-114.

[17]Qin X，Chen J，Xie C. A Tunable THz Dipole Antenna Based on Graphene[C]. IEEE Mtt-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for Rf and Thz Applications，IEEE，2016：1-3.

[18]Aldrigo M，Dragoman M，Pierantoni L. Back-gate Bias of a Graphene Antenna via a Smart Background Metallization[C]. Semiconductor Conference，IEEE，2015：131-134.

[19]Akbari M，Khan M W A，Hasani M. Fabrication and Characterization of Graphene Antenna for Low-Cost and Environmentally Friendly RFID Tags[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2016(15)：1569-1572.

[20]Feresidis A P，Goussetis G，Wang S. Artificial Magnetic Conductor Surfaces and Their Application to Low-profile High-gain Planar Antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2005，53(1)：209-215.

[21]Munk B A. Frequency Selective Surfaces：Theory and Design[M]. Wiley-Interscience，New York，2000.

[22]Anitha R，Sarin V P，Mohanan P. Enhanced Isolation with Defected Ground Structure in MIMO Antenna[J]. Electronics Letters，2014，50(24)：1784-1786.

[23]Hussainess B. Miniaturization of Microstrip Patch Antenna by Using Various Shaped Slots for Wireless Communication Systems[J]. 2014 IEEE Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory Seminar，2014，22(25)：92-95.

[24]Jiehsen K，Kinlu W. A Compact Microstrip Antenna with Meandering Slots in the Ground Plane[J]. Microwave and Optical Technology Letters，1996，29(2)：95-97.

[25]Sang I K，Sim D U，Kwon J H. Design of PIFA With Metamaterials for Body-SAR Reduction in Wearable Applications[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2016，59(1)：297-300.

[26]Ieee B E. C951a-2010 - IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields，3 kHz to 300 GHz Amendment 1：Specifies Ceiling Limits for Induced and Contact Current，Clarifies Distinctions between Localized Exposur[J]. 2010：C1-9.

[27]程春霞，张福顺. 柔性微带天线设计与研究[J]. 微波学报，2014，30(4)：25-28.

(责任编辑：宋金宝)

ANovelSuper-low-profilePeriodicDefectedGroundStructureWearableAntenna

DUAN Zhong-hang，LU Gui-zhen，LIU Xiao-lan

(School of Information Engineering，Communication University of China，Beijing 100024，China )

To meet application requirements，wearable antenna is required to have low profile and stingy backward radiation. Microstrip antenna has a minute radiation to its back，but the radiation performances decrease quite a lot when its thickness is reduced. In order to meet the wearable antenna’s needs on the performance and thickness synchronously，a microstrip antenna of super-low-profile(0.5mm)using the periodic defected ground structure on was proposed. The new type of periodic structure was placed under the radiation aperture of microstrip antenna，obtained both super-low-profile，better radiation performances and low backward radiation. Simulated and experimental results show that this kind of defected ground structure has a significant improvement on the performances of antenna，and more safety to human body.

low profile antenna；periodic structure；wearable antenna；defected ground structure

TN828.6

A

1673-4793(2017)05-0013-08

2017-06-27

段中航(1989-)，男(土家族)，湖北恩施人，中国传媒大学博士研究生.E-mail：duanzhonghang@cuc.edu.cn