体域网三陷波超宽带天线设计

徐 彬， 韩 波， 吴小倩

(阜阳师范大学 计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236037)

体域网是一种身体感测网络，以人体为中心，由可穿戴设备构成并进行数据通信和信息监测的无线传输网络，也可称作无线体域网[1]。在体域网的天线中，可穿戴天线因其具备携带方便且能与人体“共形”的特性成为众多科研工作者的研究重点。自2002年美国联邦通信委员会(FCC)宣布将3.1～10.6GHz共7.5GHz频带作为超宽带的商用频段以来[2]，越来越多工程师和学者进入超宽带天线研究工作中，超宽带天线也因其自身拥有超宽传输带宽、高速传输效率、较低发射功率和较强穿透能力且基于极窄脉冲而无载波的特点，成为无线通信领域的热门研究方向。目前超宽带技术主要应用于低功耗数据高速传输和精准定位监测与跟踪导航。将应用于体域网的可穿戴天线与超宽带天线相结合的研究方式应运而生，运用可穿戴超宽带天线能实现人体信号快速传递，并借助体域网特性实时监测人体生命信息，这将广泛应用到医疗卫生等公共研究领域[3-4]。

传统PCB技术将辐射贴片印制到FR4介质板上的超宽带天线已经不能满足可穿戴天线与人体“共形”的复杂要求，新兴的柔性电路板印制技术(FPC)则可将辐射贴片印制到柔性介质材料聚酰亚胺(polyimide)上，超宽带天线具备弯曲形变特性，实现天线与人体“共形”[5]。

本文希望天线能够适应复杂频率环境，所以在已经设计好可穿戴超宽带天线的基础上，在辐射贴片中心位置加载互补开口谐振环(CSRR)，天线能在3.32～3.74GHz和4.99～6.02GHz两个频段内生成阻带，抑制WiMAX和WLAN系统对天线的频率干扰；在馈电微带线上加载倒“U”型槽结构，天线能在7.21～8.62GHz频段内产生陷波，有效抑制X波段卫星通信的干扰，最终完成三陷波设计[6]。

1 天线理论设计

图1 圆柱体近似法Fig.1 Cylinder approximation method

本文的可穿戴超宽带天线采用共面波导微带天线设计实现。通过圆柱体(图1)近似法估算天线最低频率fL[7]。将圆柱体侧面积近似为辐射贴片面积可得到以下等效关系式：

W×L=2π×r×H

(1)

根据时域有限差分法得出经验公式，天线辐射单元长度L与波长λ具有如下关系：

L=0.24×λ×f

(2)

(3)

由图1可知H=L，则由(2)(3)两式可得：

(4)

故最低频率fL表示如下：

(5)

其中c为光速，λ为波长。由于本文天线基于共面波导馈电，当应用到平面单极子天线时，要考虑地板和辐射贴片之间的耦合缝隙对天线整体性能的影响[8]，即(5)式分母需引入缝隙变量s并将其修改为：

(6)

在以上式子中，fL的单位为GHz，L和r则分别对应辐射贴片的长和圆柱体底面圆的半径，s对应地板和辐射贴片之间的间隙长度，三个变量的单位都为mm。利用上式即可设计出原型单极子天线，同时估算出符合超宽带通信频段标准的天线最低频率fL。

圆柱体的底面圆周长即为原型天线辐射贴片部分的宽如图1，其中2πr=W；因引入缝隙变量s,则圆柱体的高H=L+s。本文设计的单极子天线辐射贴片与地板之间的缝隙变量s=0.8mm，同时取L=20mm，r=4mm，使其满足L+r=24mm，将其代入(6)式后，得出天线最低频率fL约为2.9GHz，符合超宽带通信频段标准。由此可得原型单极子天线的形状为一个长为20mm、宽约为25mm的长方形贴片，之后将原型单极子天线的主辐射贴片上半部分用半圆形贴片替换，并取R0=12mm，故上述式子中的L=R0+L1，与之相对应的L1=8mm，W1=24mm(图2)。

通过ADS中的LineCalc小工具可以计算出馈电微带线的宽度Wf和馈电缝隙宽度g。在输入阻抗为50Ω时，考虑到介质基板的介电常数为3.5，且介质厚度h=0.13mm，这会很大程度影响天线的整体辐射性能，故取Wf=2.3mm,g=0.1mm以实现阻抗匹配。通过分析，最终取天线尺寸为35mm×30mm×0.13mm，并得出原型单极子天线如图2。

图2 原型单极子天线Fig.2 Prototype monopole antenna

2 超宽带天线设计

2.1 天线结构设计

因原型单极子天线的S11曲线不能满足超宽带天线的性能要求，所以在天线设计过程中，仍需不断优化以提高天线整体效能。例如文献[9]中提到通过分别对辐射体和地板采用阶梯形结构来有效展宽带宽，文献[10]中对矩形辐射贴片做切角操作也能对天线带宽展宽起到显著作用。

最终天线版图如图3所示，天线尺寸大小通过扫参优化后如表1所示。采用基于有限元法的电磁仿真软件ANSYS HFSS 15.0对超宽带天线作出仿真，并分别列举超宽带天线设计步骤，结果如图4所示。

表1 天线基本结构的尺寸

图3 天线1版图Fig.3 Antenna 1 Layout

图4 超宽带天线设计步骤：(a)原型单极子天线；(b)结构1；(c)结构2；(d)所设计天线即天线1

对天线尺寸长度进行优化取值，再分别就其各自反射损耗曲线作出比较，分析各设计步骤对天线的影响，其仿真结果显示如图5。

图5 各步骤对反射损耗曲线的影响

由图5中曲线可以看出，本文步骤一先对原型单极子天线主辐射贴片下半部分的矩形做阶梯形处理形成图4中结构1，能有效扩大工作带宽；步骤二对结构1主辐射贴片底部做斜切角处理形成图4中结构2，调整反射损耗曲线谐振频率的同时展宽工作带宽；步骤三对结构2共面波导馈电地板的上半部分也做阶梯形处理形成图3中天线1，进一步优化谐振频率和反射损耗曲线，可以看到原型单极子天线在经过各个步骤优化后逐渐具备超宽带天线基本性能。其中图6为天线驻波比曲线，表明天线在2.94～11.99GHz频段内驻波比VSWR≤2，这也充分验证了本文天线拥有较好的驻波比的特性。

图6 天线驻波比

2.2 天线形变仿真

本文设计的超宽带天线主要应用于体域网，并且天线介质板采用聚酰亚胺柔性材料，因该材料具有很好的形变特性，所以还需对天线进行弯曲仿真。将天线弯曲至如图7所示，取变量Rz作为弯曲半径，并分析弯曲程度对天线反射损耗曲线的影响。

图7 天线弯曲形变仿真

天线的仿真结果如图8，结果显示即使在弯曲形变的状态下，天线辐射性能也不会因此而受到太大影响，并且在不同程度的弯曲条件下，天线的反射损耗曲线依然能保持较好的谐振特性，这对应用于体域网的超宽带天线设计与深度研究具有重要意义。

图8 弯曲程度对反射损耗曲线的影响

3 陷波天线设计

3.1 陷波结构设计

本文为提高超宽带天线在复杂频率环境下的适应性，分别设计双陷波天线与三陷波天线，天线结构如图9所示。其中通过分别对天线辐射体和馈电微带线刻蚀槽结构的方法来产生陷波并抑制相应频段的干扰是非常有效且容易实现的[11]。

图9 陷波天线结构:(a)双陷波天线2；(b)三陷波天线3

将图3中天线1、图9中天线2与天线3的仿真结果进行比较分析，结果如图10所示，天线2：在主辐射贴片的中心部分刻蚀CSRR谐振环结构，产生双陷波阻带，通过改变环的半径和缝隙宽度可以对抑制WLAN和WiMAX干扰的陷波频段位置进行相应调整；天线3：在馈电微带线上靠近主辐射贴片位置刻蚀倒“U”型槽结构，改变槽的缝隙宽度和总长度也能对抑制卫星X波段干扰的陷波位置作出调整。

图10 各天线的反射损耗曲线

由于本文重点研究三陷波天线设计，故继续对天线3进行仿真分析，其驻波比VSWR如图11所示,图中显示分别过滤3.30～3.82GHz、5.09～5.81GHz、7.23～8.57GHz三个频段，其余频段依然维持较好的驻波特性，故此天线可以满足陷波天线的需求。

图11 加载陷波结构后天线驻波比

CSRR谐振环槽型结构的半径是影响陷波频段产生位置的关键参数，如图12所示，通过扫参发现，随着半径R1的增加，抑制WLAN频段的陷波位置会逐渐左移。由此看出可以通过改变谐振环半径控制需要实现陷波频段的位置，所以改变半径R2也能将抑制WiMAX频段的陷波平移至相应位置。

图12 参数R1对陷波频段的影响

馈电微带线上的倒“U”型槽结构的长度是决定高频段陷波位置的关键参数，如图13，随着d1的增加，陷波频段位置左移，最终移动到能够抑制卫星X波段的频段位置，由此可以看出将倒“U”型槽加载到微带线上同样也能产生陷波。

图13 参数d1对陷波频段的影响Fig.13 Influence of parameter d1 on Notch band

3.2 陷波表面电流分布

本文利用仿真软件分析出陷波天线的表面电流分布图，并观察陷波频段的中心频率表面电流分布可以验证天线产生陷波的原理[12]，结果如图14所示。在中心频率设置为3.5GHz时观察到有电流分布在CSRR谐振环结构的外环附近，在设置为5.6GHz时有部分电流集中在内环附近，由此看出能量集中在陷波结构中没有被辐射出去，可以采用此结构实现双陷波；当中心频率设置为7.8GHz时，电流大量分布于共面波导馈电微带线上的倒“U”型槽附近。通过以上分析充分验证了陷波实现的原理，即电流分布越密集的部分，能够辐射出去的能量信号越少,从而有效避免外界频段的干扰，也说明此陷波天线设计的合理性。

3.3 远场方向图

天线的辐射增益也是衡量天线整体性能的重要指标，观察远场区方向图可以了解天线的辐射效能。如图15，分别显示天线中心频率为 3.6GHz、5.5GHz、7.8GHz、9.6GHz时的远场区辐射方向图，每个方向图都表示天线在对应频点下，E面与H面的辐射增益仿真结果。其中，天线的E面表示φ=90°，即外圈部分在低频段呈现圆形状，在高频段呈现椭圆状，可以看出具备较好的全向辐射特性；天线的H面表示φ=0°，即内圈部分呈现“8”字状，也具备明显的方向性。通过比较分析，随着频率的增加，天线E面与H面的方向图都会产生一定程度的畸变现象，但仍具有较好的对称性，总体上保持单极子天线辐射方向特性[13]，所以本文研究分析的超宽带天线可以达到超宽带通信应用指标。

图15 天线远场方向图

4 结束语

本文研究并设计一种应用于体域网且结构简单、实用性强的超宽带天线。在经典的微带天线基础上，对其矩形辐射贴片部分进行切半操作，将矩形的上半部分用半圆替代，即可设计出原型单极子天线，再将矩形下半部分做阶梯形和斜切角处理，使其在对比原型单极子天线时能充分提升天线的整体辐射性能，且带宽在2.94～11.99GHz区间内具有很好的谐振特性，可以有效覆盖 3.1～10.6GHz的超宽带通信频段。天线的整体尺寸为35mm×30mm×0.13mm,因其尺寸较小，可以满足可穿戴的应用需求。为应对复杂的频率环境，本文在超宽带天线的辐射贴片中心位置加载CSRR谐振环结构，同时在馈电微带线上开倒“U”型槽使其产生三陷波，该操作使天线分别过滤3.30～3.82GHz、5.09～5.81GHz、7.23～8.57GHz三个频段，能同时屏蔽来自WiMAX、WLAN和卫星X波段的频率干扰，且其余通带部分依然能保持较好的辐射特性，这对应用于体域网的可穿戴超宽带天线设计改进方案提供新的研究方向与应用前景。