单频段体表/体外双模式可穿戴天线设计*

沈飘飘，肖如奇，刘巾军，杨 国，齐世山

（1.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094；2.陆军装备部驻南京地区第四军事代表室，江苏 南京 210007）

0 引言

随着无线体域网的快速发展，对可穿戴天线结构和性能的要求越来越高，如何有效地实现体外通信和体表通信间信息的无缝传输至关重要，因此体表/体外双模式天线成为近年的研究热点。方向图分集天线采用多输入多输出（MIMO）技术[1-4]，使得天线在单频段内实现定向方向图和全向方向图的分集，可用于实现体表/体外双模式可穿戴天线的设计。

方向图分集天线的设计方法主要有两种：第一种是选择性激励堆叠或水平并置的不同辐射器，产生不同的辐射方向图，以实现方向图分集[5-9];第二种是通过设计功分移相网络，选择性激励同一辐射器的不同模式，来实现辐射方向图的多样性[10-19]。

本文通过设计功分移相网络，选择性激励超表面结构本身具有的两个模式，设计一款应用于5.5 GHz 频段体表/体外双通信模式的可穿戴天线。首先，利用特征模理论[20-21]分析超表面结构，发现了具有定向辐射和全向辐射的两个特征模式，它们在感兴趣的频段内紧密间隔;然后修正超表面结构，选择L 型探针去激励超表面的两个模式;最后，设计合适的馈电结构，用于选择性地激发两种模式以实现全向方向图和定向方向图之间的分集。最终设计了一款5.5 GHz 频段的基于超表面的宽带方向图分集天线，可应用于单频段体表/体外双通信模式。

1 特征模分析

特征模理论核心是将被分析天线的表面电流分解为一系列正交的模式电流，并且模式电流所产生的远场也相互正交。通过电场积分方程（EFIE）和矩量法（MOM）推导，可得出广义特征值方程，如下：

式中，R和X分别为电场积分方程阻抗矩阵的实部和虚部，ln是特征值，Jn是对应特征电流分布。

特征模理论具有3 个重要指标：特征值ln、模式显著性MS 和特征角βn。其中模式显著性的表达式为：

在特征模分析中，MS 值描述特征模式的内在谐振特性。MS 值在[0，1]范围里变化，当MS=1 时，表示该特征模式处于谐振状态。本文使用MS 值来研究天线在频带内各模式的谐振特性。

2 超表面天线设计

所提天线结构示意图如图1 所示。天线主要由3 层介质板和印刷在介质板上的金属组成。由上往下看，介质板1 上表面印刷超表面贴片，介质板2 下表面印刷着金属地板，介质板3 下表面印刷着馈电网络。同时还有4 个L 形探针，它们通过金属柱穿过金属地板上的4 个通孔，连接到馈电网络的4 个输出端口上。介质板1、介质板2 和介质板3 都使用FR4 基板制成，其相对介电常数是4.4，损耗正切是0.02。天线的具体尺寸见表1。

表1 所提天线的尺寸参数 (mm)

图1 天线结构示意图

2.1 超表面结构特征模式分析

首先对由12 个正方形贴片组成的超表面进行特征模分析。超表面贴片的四周和上方都设为自由空间，介质板底部设置为金属边界，且介质板不考虑介质损耗。超表面结构和边界条件设置如图2 所示。

图2 超表面结构和边界条件

超表面的前10 个模式的模式显著性曲线如图3 所示，特征电流分布和远场辐射方向图分别如图4 和图5所示。根据特征模理论，当模式显著性水平为1 的时候，该模式处于谐振状态。可以看出前10 个模式的谐振点都落在5.5 GHz 附近，具备谐振特性。模式1 和模式2 是一对简并模，两个模式的特征电流沿贴片边长方向正交分布，辐射方向图则具有沿Z轴方向定向辐射的特性，可适用于体外通信模式。模式3 的特征电流从边缘指向中心，其辐射方向图在水平面呈现全向辐射分布，可适用于体表通信模式。

图3 超表面的模式显著性曲线

图4 超表面的前10 个模式的特征电流分布

图5 超表面的前10 个模式的远场辐射方向图

2.2 修正后的超表面特征模式分析

通过上文分析，本文选择模式2 和模式3 作为需要激励的模式。同时，其他8 个模式的谐振点均在5.5 GHz 附近，在激励模式2 和模式3 的同时，可能同时激励其他8个模式，造成方向图的恶化。减少不相关模式对天线的干扰，通常可以采用对超表面进行加载短路柱、裁切等方法，使得高次模在天线工作频带内得到抑制。

对边缘贴片进行切角，改变其特征电流路径，进行特征模分析。修正后的超表面结构和模式显著性曲线如图6 所示。模式1～模式4 的谐振频率基本不变，而模式5～模式10 的谐振频率明显向右偏移，模式显著性在大于6 GHz 的频率点达到1，可以认为其在5.5 GHz 附近不具有谐振特性。说明超表面修正后，模式5～模式10这6 个模式在天线工作频带内得到了抑制。

图6 修正后的超表面结构和模式显著性曲线

再次观察前4 个模式的特征电流分布和对应的辐射方向图，如图7 和图8 所示。模式1 和模式2 的特征电流仍然沿贴片的边长方向正交分布。模式3 的特征电流从超表面中心指向边缘。4 个模式的辐射方向图与电流分布相对应，与修正前超表面的辐射方向图一致，这里不再描述。

图7 修正后的超表面前4 个模式的特征电流

图8 修正后的超表面前4 个模式的辐射方向图

3 馈电结构的设计

通过上一节对修正后的超表面结构的研究，选择了模式2 和模式3 进行激励，分别实现定向和全向辐射模式，接下来的工作便是设计激励结构来选择性的激励模式2 和模式3。对此本文采用4 个大小相同的L 形探针等间距放置超表面的下方，探针位置如图9 所示。对4个L 形探针给予不同相位的激励，当来自4 个馈源的耦合电场同相时，在4 个探针之间会形成理想的磁壁，此时模式3 满足该边界条件可以被激励，如图9（a）所示。当L 形探针上的耦合电场反相时，在同相的探针之间形成一个理想的磁壁，在反相的探针之间形成一个理想的电壁，此时模式2 满足该边界条件可以被激励，如图9（b）所示。

图9 L 形探针位置和不同馈电相位

然后设计一个功分移相网络，结构如图10 所示，由一个有180°相移的耦合器和一个一分四的功分器组成，表2 为该功分移相网络的具体尺寸。当端口1 连接匹配负载，对端口2 馈入信号时，端口3 到端口6 会生成两组相位相反的等幅信号，可以激励超表面的特征模式2，对应天线的定向模式，应用于体外通信。当端口2 接匹配负载，对端口1 馈入信号时，端口3 到端口6 会生成等幅同相位的信号，可以激励超表面的特征模式3，对应天线的全向模式，应用于体表通信，从而实现该天线在单频段体表/体外双通信模式的切换。

图10 馈电网络结构图

4 天线的仿真与测试结果

上一节已经完成了天线的设计，接下来对所提的天线进行加工测试，加工后的天线如图11 所示。测试端口1 时，端口2 必须接50 Ω 匹配负载；反之亦然。

图11 天线实物图及暗室测试环境

天线的两端口仿真和测试的S参数如图12 所示，可以看出端口1 馈电时，仿真的阻抗带宽为22.9%（4.98 GHz～6.27 GHz），在自由空间测试的阻抗带宽为25.5%（5.0 GHz～6.46 GHz），当佩戴在人体上时测试的阻抗带宽为24.9%（5.03 GHz～6.46 GHz）。当给端口2馈电时，仿真的阻抗带宽为23.0%（4.96 GHz～6.25 GHz），在自由空间测试的阻抗带宽为16.2%（5.27 GHz～6.20 GHz），当佩戴在人体上时测试的阻抗带宽为16.2%（5.27 GHz～6.20 GHz）。两种工作模式的公共带宽的仿真结果为23.6%（4.98 GHz～6.25 GHz），自由空间的测试结果为16.2%（5.27 GHz～6.20 GHz），佩戴在人体上的测试结果为16.2%（5.27 GHz～6.20 GHz）。天线实测结果与仿真结果基本一致。两个端口之间的隔离度的仿真与测试结果均高于30 dB，具有非常好的隔离度。

图12 所提天线的仿真和测试的S 参数

天线两端口仿真和测试的增益随频率变化曲线如图13 所示。在工作频带内，当端口1 馈电时，仿真最大增益约为3.3 dBi，测试最大增益约为3.0 dBi。当端口2馈电时，仿真最大增益约为7.5 dBi，测试最大增益约为7.2 dBi。

图13 所提天线增益随频率变化曲线

天线两端口在频率5.5GHz 时仿真和测试的归一化辐射方向图如图14 所示，观察端口1 的辐射方向图，在XOZ平面主要辐射方向指向theta=34°，交叉极化较小，在XOY平面（theta=34°）获得了很好的全向性，可应用于体表通信模式。观察端口2 的辐射方向图，在XOZ和YOZ平面均有沿Z轴正向的辐射特性，可应用于体外通信模式。该天线的方向图满足设计目标。

图14 天线两端口在频率5.5 GHz 的归一化辐射方向图

为了验证该天线在可穿戴设备中使用时对人体产生的辐射影响，进行了人体比吸收率（Specific Absorption Ratio,SAR）仿真，采用IEEE C95.3 为计算标准，输入功率为0.5W 时，其在5.5 GHz 时的SAR 仿真结果如图15 所示。以1 g 为标准，在体表通信模式下得到的SAR平均峰值为1.29 W/kg，在体外通信模式下得到的SAR 平均峰值为1.35 W/kg，均低于美国联邦通讯委员会1.6 W/kg 的标准。以10 g 为标准，在体表通信模式下得到的SAR 平均峰值为0.53 W/kg，在体外通信模式下得到的SAR 平均峰值为0.44 W/kg，均低于欧盟委员会2 W/kg 的标准。上述结果表明了该天线在使用过程中对人体的安全性。

图15 5.5 GHz 时的SAR 仿真结果

如表3 所示，将本文所设计方向图分集天线与其他相类似的天线进行对比。与参考文献[9]、[11]、[19]相比，所设计天线的尺寸更小。与参考文献[11]、[16]、[17]相比，所设计天线具有更宽的带宽和更好的隔离度。可见所设计的天线在天线尺寸、相对带宽和隔离度上达到了很好的平衡。

表3 与不同方向图分集天线的性能比较

5 结论

本文设计了一款基于超表面的宽带方向图分集天线，可应用于单频段体表/体外双通信模式。首先，通过对超表面天线进行特征模分析，选择合适的定向和全向特征模式，修正超表面结构，抑制高次模。然后，设计合适的馈电结构将其激励出来，以实现全向方向图和定向方向图之间的分集。由于所提可穿戴天线具备低剖面、宽带、体表/体外通信双模式等优点，可广泛应用于体域网通信领域。可穿戴天线需要考虑人体舒适性,本文设计的可穿戴天线使用不易弯折的FR4 板材。下一步工作可以考虑使用柔性材料或者织物材料代替FR4 基板设计可穿戴天线，并研究其在弯折共形情况下天线的性能。