应用于5.8 GHz的可穿戴天线设计与实现

王培杰，程铋峪，杨凌升

(南京信息工程大学 应用电磁学研究中心，江苏 南京 210044)

可穿戴天线在医疗、军事等领域有应用价值.在医疗方面，可把天线、传感器和医疗设备一起放置在人体上，天线把检测到的数据传送到网络终端，便于医生实时监测病人身体状态.在军事领域，可将天线放置在士兵头盔或者背部，便于收发信号.除此之外，可穿戴天线也可用于消防队员、运动员[1-2].然而，人体运动时身体姿势的变化、天线置于人体的位置、佩戴的其他电子设备等，均影响天线信号传输[3-4],单一辐射方向的天线已不能满足通信需求[5].可通过在人体不同部位放置多个天线[6-7]，或者使用具有多种方向图辐射特性的天线，接收变化环境中不同辐射模式的电磁波[8]，来增加信号传输的稳定性.室外环境中，可穿戴天线接收到的大部分能量来自爬行波，散射波可忽略.平行于身体表面具有全向辐射模式的单极子天线正适合接收在身体周围传播的爬行波.室内环境中，除了沿人体表面传播的爬行波外，墙壁、地面及家具等散射的电磁波也存在，平面倒F天线(PIFA)适合接收此类电磁波.

研究人员围绕具有方向图分集特性的可穿戴天线进行了大量的研究[3,9-12].文献[3]设计了一款工作在2.45 GHz频段的PIFA和顶端加载单极子的2单元天线，该天线中单极子天线部分适合用来接收人体表面全向的爬行波，PIFA部分则接收直接照射到人体表面的波.文献[9]设计了一款适用于WBAN通信系统的三极化可穿戴天线，该天线有3个馈电端口，其中2个端口单独馈电时，天线产生正交侧向辐射模式，第3个端口单独馈电时产生水平面全向辐射模式.文献[10]设计了两款可穿戴天线阵，分别为腰带式结构和马甲式结构，产生的辐射特性在水平面(平行于基板)为全向，在垂直面(垂直于基板)为“∞”形，从而提高了通信系统信号传输效率[10].文献[11]提出了一种三极化微带天线，该天线不同端口单独馈电时，会产生垂直基板的定向及平行基板的水平全向两种辐射模式，采用准交叉槽及电容耦合馈电提高了单元间隔离度.文献[12]设计了一款用于室内外定位的可穿戴天线，对切角贴片馈电时，天线工作在1.575 GHz，产生垂直于基板向外的辐射模式，对环形贴片馈电时工作在915 MHz，此时产生平行于基板的全向辐射模式.文献[13]设计了一款应用于体域网的双模式单频带可穿戴天线，其曲折贴片用于离体模式，沿基板斜上方辐射，环形贴片用于身体模式，沿垂直于基板方向向外辐射.

笔者设计一款可应用于5.8 GHz ISM频段的两单元可穿戴天线，单独对两个端口馈电时，可分别产生平行人体表面的全向辐射以及垂直人体表面的定向辐射.考虑到天线尺寸及间距带来的单元间耦合，通过采用在公共地面开槽的技术，在保持原天线尺寸的前提下，减少天线单元间耦合，从而降低天线单元彼此间的影响.

1 天线结构及原理

天线结构如图1所示，其由一个平面倒F天线和一个单极子天线组成，其中左侧(端口1)的平面倒F天线可实现垂直人体表面(+Z轴方向)的定向辐射及地面、墙壁散射信号的接收.右侧(端口2)的单极子天线可实现平行人体表面(XY平面)的水平全向辐射及沿人体表面传播的爬行波的采集.因此，可解决天线穿戴在人体时不同无线场景带来的信道衰弱问题.

图1 天线结构

天线采用的介质基板均是厚度为0.8 mm的FR4板材，其相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02，天线整体尺寸为29 mm×15 mm×6.8 mm.左侧单元在微带贴片的基础上加载短路柱，提高了天线的频带宽度；右侧单元在顶端加载半径为4.5 mm圆盘，并引入一根短路柱，降低天线的高度，使天线更好满足可穿戴需求.考虑到天线两单元间距很小(约0.048 λ@5.8 GHz)，存在一定的耦合，所以在公共地面上开槽，以提高天线单元间隔离度.

笔者采用Ansys公司的HFSS Ver.15对天线单元进行仿真优化,图2为单元1参数优化结果.在对单元1进行分析的过程中发现，贴片沿X轴方向的长度变化对天线谐振点的影响很大，从图2A可看出，随着贴片单元长度的增加，谐振点向低频移动，当长度为12.7 mm时，天线谐振频率为5.8 GHz.贴片沿Y轴方向的宽度变化同样会对天线谐振点带来影响，从图2B可看出，随着宽度的增加，谐振点向低频移动，而宽度为11 mm及11.5 mm时，优化结果相近，但比较两种宽度下的天线带宽及谐振点后，宽度最终选为11 mm.Y轴方向取9 mm时，对短路点在X轴位置对频率的影响进行了分析，优化结果如图2C所示.从图2C可知，短路点往+X轴方向移动时，谐振点往高频移动.继而对短路点在Y轴的位置对频率的影响进行了分析，其结果与图2C相似，在9 mm附近时，天线谐振点变化不大，因此最终取短路点坐标为(9,9).

图2 单元1参数优化结果

天线单元2为顶端加载的单极子天线，天线的高度及圆盘直径均对天线谐振频率产生影响，优化结果如图3所示.优化过程中发现，随着圆盘直径的增大，天线谐振点向低频移动(见图3A)，而图3B描述的是天线高度对天线回波损耗的影响，可以看出天线高度增加使天线谐振点向低频移动.在满足天线谐振频率、频带需求的前提下，考虑天线整体尺寸，最终取圆盘直径为9 mm、单极子高度为6.8 mm.图3C为对短路柱位置进行分析的结果，可以看出随着短路柱中心和馈电中心距离的增大，谐振点向高频移动，当两者距离为3 mm时，谐振频率为5.8 GHz，并且能够很好地覆盖该频段.

图3 单元2参数优化结果

由于可穿戴天线需要具有较小的尺寸，该文两天线单元间距仅为0.048 λ，远小于半波长，从而会产生一定的耦合，为增强天线的分集效应，需对天线减耦.笔者在不改变天线整体尺寸的前提下，通过在公共地面上的开槽处理，实现减耦.图4为槽线长度对天线单元间隔离度的影响.从图4中可以看出，地面开槽可提高单元间的隔离度.槽线长度优化过程中发现，当槽线长度为12 mm(约1/4 λ长)时，隔离度提高了4 dB，使得5.8 GHz ISM频段天线单元间隔离度大于15 dB，减耦效果明显.

图4 槽线长度对天线单元间隔离度的影响

2 仿真与测试

按照优化设计得到的尺寸进行基板切割，并在其表面贴附铜皮，制作了天线实物(见图5).如图6所示，将天线绑在手腕上，使用ZNB 20 GHz两端口矢量网络分析仪进行测试，可以得到端口1的仿真和实测参数(见图7).从图7可以看出，实际测量结果和仿真基本一致，只是实测谐振点相较于仿真往高频稍许偏移.图8为单元1的仿真和实测的XZ和YZ平面方向图.由图8可以看出，实测和仿真比较吻合，单元1的实测辐射方向图主要集中在+Z方向，因此辐射方向图满足设计要求.

图5 天线实物整体示意图 图6 手上天线实测图

图7 端口1的仿真及实测参数 图8 单元1的YZ及XZ平面方向图

端口2的仿真和实测参数如图9所示.由图9可见，实测单元谐振点发生了一定偏移，带宽也比仿真时窄，人体实测时低频产生了一个新的谐振点，但总体上还是可以实现对5.8 GHz ISM频段的覆盖.图10为单元2的XY平面方向图.从图10可以看出，从仿真结果来看，该单元具有较好的全向辐射性能.

图9 端口2仿真及实测参数 图10 单元2的XY平面方向图

3 结束语

笔者设计了一款可应用于5.8 GHz ISM频段的具有多方向图分集特性的可穿戴天线.该天线单元1通过加载短路柱，缩小了天线的整体面积，单元2通过加载短路柱，降低了天线的高度，公共地面开槽提高了单元间隔离度.测试结果表明，天线覆盖了5.8 GHz ISM频段，实现了全向辐射和定向辐射，能满足人体穿戴设备的通信需求.