一种新型的超宽带圆极化可穿戴天线研究*

张楚笛， 王黎明

(中北大学 信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051)

0 引 言

现代社会中，运动性猝死在各类运动场所中时有发生，尤其是在长跑、足球以及网球等项目中。而运动性猝死多是由心脏病等引起。随着人们对健康越来越关注，具备实时监护功能的可穿戴设备成为了研究热点。在这些体育活动中，天线设计是系统中的关键。圆极化天线以其抗干扰能力强、抑制多径效应等优点得到很多研究者的关注[1～4]。基于运动情况下的可穿戴设备对天线阻抗带宽和轴比带宽的要求较高。同时要求天线设计时要有舒适度，能和人体达到很好的匹配。因此，天线必须重量轻、体积小、佩戴方便。同时，关注天线的电磁辐射对人体的影响，采取措施将电磁辐射降到最低。

文献[1]提出了一种矩形槽口的共面波导(coplanar waveguide,CPW)超宽带天线，接地板的两个对角上分别有不相等的L形条带线，以此实现天线的圆极化辐射。文献[2]的辐射贴片为带有一定角度的微带线，接地板对角上也加载了两个不相等的L形条带线。文献[3～15]的接地板三个角上都有L形条带线，辐射贴片为几段不同的矩形组合而成。圆极化天线主要的挑战在于AR带宽较窄，最近的很多研究也都集中于拓宽AR带宽。如在接地面上加载一个或多个L形条带线。文献[7]中介绍了一种单极子可穿戴天线，该天线具有良好的阻抗带宽和增益，介质基板采用柔性材料聚酰亚胺(polyimide，PI)，通过加载背面金属反射板，使得天线在不影响带宽的情况下，对人体模型辐射的SAR值降至安全值以下。本文在前期诸多研究基础上，给出了一种共面波导馈电的超宽带圆极化可穿戴天线。

1 天线的结构分析和研究

1.1 天线结构

设计的天线具有3.6～10.8 GHz(124.13 %)的阻抗带宽(S11<-10 dB)，4.8～6.4 GHz(29.31 %)的AR带宽(小于3 dB)。通过加载倒L形条带线和接地面的半圆形开槽使得天线实现圆极化辐射。左上角的矩形贴片影响天线耦合。由于采用CPW馈电，该天线具有加工容易且成本较低的优点，且易于其他微波设备集成。

表1中列出了参考文献与本文所设计天线的阻抗带宽、轴比带宽、尺寸大小等参数。表中各超宽带CPW天线皆工作于ISM频段(2.4～2.485 GHz,5.725～5.85 GHz)。从表中可以看出，本文的天线具有最小的体积，且带宽覆盖WLAN带宽(5.15～5.825 GHz)。

表1 参考文献与本文天线的尺寸和带宽参数

本文所设计的天线结构如图1所示。

图1 天线结构

包括一层介质板、接地平面、辐射贴片和馈电线。其中，接地面上有两个大小不同的L形条带线、矩形贴片和对称的半圆形切槽。所用的介质材料为FR4，相对介电常数εr为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6 mm。馈电线与两侧接地面之间的间隙为0.8 mm。两个L形的条带线和左上角的矩形贴片使天线实现圆极化辐射。其中，左侧L形的条带线宽度为0.1 mm，右侧L形的条带线宽度为0.3 mm，矩形贴片的边长为6 mm。由于馈电线与矩形辐射贴片连接处的不连续性影响贴片辐射，引入相等对称的三角形槽口减小该影响。三角形两直角边长分别为1.9 mm和1.35 mm。为了调整辐射贴片和接地板之间的耦合、提高天线的圆极化带宽，在接地板的对称两侧引入半圆槽。半圆槽半径为0.75 mm。

模型如图1所示，50 Ω馈电微带线长度约为2 mm，两侧地板宽度为1.2 mm。

1.2 天线性能与分析

天线在自由空间中时，天线的辐射如图2所示。

图2 自由空间中天线的辐射特性

图2(a)为天线仿真和测试的S11值。由图可看出仿真和测试结果基本吻合，天线的阻抗带宽达到3.6～10.8 GHz(124.13 %)。

图2(b)为天线仿真和测试的AR值。由图可看出，仿真和测试结果带宽大体一致，带宽范围略有偏差，推测是由于馈电处焊接SMA头以及加工误差造成，天线的阻抗带宽达到4.8～6.4 GHz(29.31 %)。

2 穿戴式天线对人体的辐射特性

SAR(specific absorption rater)(W/kg)称为“比吸收率”，为单位质量的人体组织所吸收或消耗电磁辐射能量。准确的数学定义如下

式中W为辐射能量，m为质量，V为体积，ρ为密度。

2.1 天线对人体模型的辐射

人体模型在天线下方10 mm处，该模型为皮肤、脂肪和肌肉组成的三层人体组织模型，总大小为50 mm×50 mm×13 mm。其中，皮肤模型大小为50 mm×50 mm×1 mm，脂肪模型大小为50 mm×50 mm×2 mm，肌肉模型大小为50 mm×50 mm×10 mm。

人体皮肤、脂肪和肌肉在5.8 GHz相对介电常数分别为35,5和48，电导率分别为5.021 9，0.306 23，5.021 9 S/m。当输入功率为1 W时，人体表面的1 g平均SAR分布情况如图3(a)，可得，天线SAR的峰值为73.6 W/kg，超过了公众电磁辐射安全限制标准，需要对天线的结构进行改进，减小天线的背向辐射。

图3 未加金属板时天线对人体的辐射与方向

在天线未加反射板时，天线背面的辐射较多，使得天线正向辐射减小。由图3(b)可以看出，天线最大增益方向的增益为1.624 dBi。

2.2 改进型天线对人体模型的辐射特性

在天线背面增加反射板可以有效减小背向辐射，从而减小对人体的电磁辐射。在窄带可穿戴天线的研究中，一般采用加载电磁带隙(electromagnetic band-gap,EBG)结构的方式减小后向辐射。但是EBG结构由于自身的限制，带宽有限。对于超宽带的可穿戴式天线，一般通过加载金属反射板的方式减小天线对人体的辐射。

金属反射板放置于人体模型上方，大小为50 mm×50 mm，在金属反射板与天线中间填充泡沫，其相对介电常数为1.06，损耗角正切为0.005。加入反射板和中间填充泡沫后，可得如图4(a)的天线对人体模型辐射的SAR值。人体模型的最大SAR值为0.375 W/kg，对比未加反射金属板和泡沫填充物的SAR值，天线后向对人体的电磁辐射大幅的降低，达到安全值以下。

如图4(b)所示，加入反射金属板和泡沫之后，天线正向的辐射增益加大。可以看出，天线最大辐射方向的增益为3.176dBi。对比未加金属反射板的正向辐射增益获得很大提高。

图4 加载金属板时天线对人体辐射与方向

3 结 论

本文提出了一种满足电磁辐射安全标准的可穿戴式天线。采用CPW结构以及在接地板上加载L形条带线，实现圆极化超宽带辐射。考虑到馈电线与辐射贴片间的不连续性，在连接处切对称的三角形槽，增加连续性，优化阻抗带宽。左上方的对角上加矩形贴片实现小型化和减小耦合。天线具有良好的阻抗带宽和轴比带宽。但是天线对构建的人体三层模型辐射较多，SAR值超过安全标准。在天线背面加载金属反射板，提高了天线的正向增益，天线最大辐射方向的增益为3.176 dBi，同时极大地减小了SAR值。该天线简单的结构、极好的带宽特性以及满足人体安全标准的SAR，使得该天线具有良好的应用和参考价值。