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雙頻段體表/ 體外雙模式可穿戴天線設(shè)計(jì)

2024-07-20 00:00:00沈飄飄劉巾軍肖如奇楊國齊世山
無線電工程 2024年5期

摘 要:基于特征模理論分析方法,設(shè)計(jì)了一款2. 45、5. 8 GHz 頻段的體表/ 體外雙模式可穿戴天線。在三角形的輻射貼片和接地面之間加載一段微帶線,在2. 45 GHz 引入一個(gè)具有全向輻射特性的新模式,加上三角形貼片本身在5. 8 GHz 具有的定向輻射特性,組成了一個(gè)雙頻段雙模式可穿戴天線。天線的仿真結(jié)果表明,在低頻處實(shí)現(xiàn)全向輻射特性,阻抗帶寬為1. 6% (2. 45 ~ 2. 49 GHz),可用于體表通信模式;在高頻處具有定向輻射特性,阻抗帶寬為4. 3% (5. 67 ~ 5. 92 GHz),可用于體外通信模式。

關(guān)鍵詞:可穿戴天線;特征模分析;體表通信;體外通信

中圖分類號(hào):TN82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

文章編號(hào):1003-3106(2024)05-1255-06

0 引言

隨著無線體域網(wǎng)的快速發(fā)展,對(duì)可穿戴天線結(jié)構(gòu)和性能的要求越來越高,如何有效地實(shí)現(xiàn)體表通信[1]和體外通信[2]間信息的無縫傳輸至關(guān)重要,因此體表/ 體外雙模式天線成為近年的研究熱點(diǎn)。

常見的體表/ 體外雙模式可穿戴天線可以根據(jù)工作頻段分為單頻段天線和雙頻段天線。單頻段天線[3-4]常見的設(shè)計(jì)為可重構(gòu)天線和方向圖分集天線。雙頻段天線[5-16]有2 個(gè)工作頻段,使天線在不同工作頻段有不同的輻射方向圖,實(shí)現(xiàn)2 種通信模式。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種新型共面波導(dǎo)饋電的雙頻雙模貼片天線,用于體表/ 體外通信,該天線由帶有寄生貼片的T 形貼片、圓形貼片和共面波導(dǎo)饋線組成。

特征模理論由于僅從其結(jié)構(gòu)本身出發(fā)研究性質(zhì),而無需考慮饋電方式的優(yōu)點(diǎn),近年來被廣泛應(yīng)用于寬帶天線、超表面天線等的設(shè)計(jì)[17-20]。應(yīng)用特征模理論來對(duì)雙模式天線的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo),有助于更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于2. 45、5. 8 GHz 雙頻段的體表/ 體外雙模式可穿戴天線。該天線首先對(duì)三角形貼片進(jìn)行特征模分析,發(fā)現(xiàn)其在5. 8 GHz 存在特征模式具有定向輻射特性,可用于體外通信。然后,在三角形貼片與金屬地板之間添加2 段微帶線,微帶線的兩端分別用金屬化過孔與三角形貼片和金屬地板相連,重新進(jìn)行特征模分析,發(fā)現(xiàn)其在2. 45 GHz 出現(xiàn)一個(gè)新的諧振模式,具有全向輻射特性,可用于體表通信。

1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)與模式分析

雙頻段體表/ 體外雙模式可穿戴天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該天線采用3 層介質(zhì)基板,均采用介電常數(shù)為4. 4 的FR4 材料。天線上層介質(zhì)板(藍(lán)色介質(zhì)板)的上表面為三角形貼片;中間介質(zhì)板(綠色介質(zhì)板)上表面是2 段微帶線,微帶線兩端分別通過金屬過孔與三角形貼片和金屬地板相連;下層介質(zhì)板(紫色介質(zhì)板)上表面為金屬地板,下表面是微帶饋線,饋線通過金屬過孔與天線上層介質(zhì)板中三角形貼片饋電點(diǎn)相連。天線在三角形貼片饋電點(diǎn)周圍蝕刻一圈寬度為0. 1 mm 的圓形槽,增加容性電抗便于阻抗匹配。天線的具體參數(shù)如表1 所示。

1. 1 三角形貼片特征模分析

初始的三角形天線如圖2 所示。為了更清晰地理解該天線的輻射機(jī)理,首先對(duì)如圖2(a)所示的三角形貼片進(jìn)行特征模式分析,三角形貼片邊長(zhǎng)為16 mm,介質(zhì)板采用FR4 材質(zhì),介電常數(shù)4. 4,厚度2. 2 mm,使用CST 中的多層求解器進(jìn)行仿真。圖2(b)給出了三角形貼片前6 個(gè)模式的模式顯著性曲線。在1 ~ 7 GHz,模式1 和模式2 的模式顯著性曲線重合,是一對(duì)簡(jiǎn)并模式,在5. 5 GHz 的模式顯著性為1,具有諧振特性。模式3 ~ 模式6 的模式顯著性在頻帶內(nèi)幾乎為0,不具備諧振特性。

前2 個(gè)模式的特征電流分布和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖3 和圖4 所示。模式1 的特征電流沿三角形左側(cè)邊長(zhǎng)平行分布,越靠近左邊特征電流越集中;模式2的特征電流沿右側(cè)邊長(zhǎng)和底邊指向左邊,特征電流集中于三角形中部,2 個(gè)特征電流相互正交,輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖都具有沿z 軸定向輻射特性,可用于體外通信模式。

1. 2 加載微帶線的三角形貼片特征模分析

1 ~ 7 GHz 存在模式1 和模式2 可以生成定向的輻射方向圖用于體外通信,但是不存在可用于體表通信的全向輻射模式,為此還需要改變天線結(jié)構(gòu),引入新的諧振模式。如圖5(a)所示,在三角形貼片和接地面之間添加2 段微帶線,微帶線兩端分別與三角形貼片和金屬地板相連,微帶線長(zhǎng)度為3. 6 mm,寬度為0. 24 mm,對(duì)新的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行特征模分析。加載微帶線的三角形貼片前6 個(gè)模式的模式顯著性曲線如圖5(b)所示。模式1 在2. 22 GHz 模式顯著性數(shù)值大于0. 7,具有諧振特性。模式3 在5. 55 GHz 的模式顯著性為1,具有諧振特性。模式2、模式4 ~ 模式6的模式顯著性幾乎為0,不具備諧振特性。

模式1 和模式3 的特征電流分布和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖6 和圖7 所示??梢钥闯?,模式1 的特征電流集中于微帶線上,三角形貼片的特征電流從連接微帶線的2 個(gè)端點(diǎn)向外分布,其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖在水平面具有全向輻射特性,可應(yīng)用于體表通信模式。模式3 的特征電流沿y 軸正向分布,其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖沿z 軸定向輻射,可應(yīng)用于體外通信。

2 天線的饋電

上文通過對(duì)雙頻段雙模式天線的特征模分析,確定了要激勵(lì)的2 個(gè)特征模式———模式1 和模式3。接下來,觀察圖6 中模式1 和模式3,選擇特征電流幅值相等的點(diǎn)饋電。饋電方式如圖1 所示,選擇在距離三角形底邊1 mm 處作為饋電點(diǎn),為了增加容性電抗便于阻抗匹配,在饋電點(diǎn)周圍刻蝕一圈圓形槽,同時(shí)為了加工測(cè)試方便,使用金屬化過孔與一段微帶線相連。然后對(duì)天線各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,使得2 個(gè)諧振頻點(diǎn)移動(dòng)到所需的2. 45、5. 8 GHz,同時(shí)優(yōu)化阻抗匹配。綜合上述分析,天線最終優(yōu)化后的S11曲線如圖8 所示,天線優(yōu)化后的電流分布和輻射方向圖如圖9 和圖10 所示,在2. 45、5. 8 GHz 兩個(gè)諧振點(diǎn),天線電流和輻射方向圖與加饋電前的特征模分析一致,符合設(shè)計(jì)要求,天線具體尺寸見表1。

3 天線的仿真結(jié)果

天線的S11 隨頻率變化曲線如圖11 所示。該天線在低頻段仿真的阻抗帶寬為1.6% (2.45 ~ 2.49 GHz),在高頻段仿真的阻抗帶寬為4.3% (5.67 ~5.92 GHz)。

天線在2. 45、5. 8 GHz 的歸一化輻射方向圖如圖12 所示,??梢钥闯?,天線在xoz 面上交叉極化略大,在xoy 面上具有較好的全向輻射特性,總體來說滿足體表通信模式的要求。在高頻段,天線具有沿z 軸正向的定向輻射特性,交叉極化較小,滿足體外通信模式對(duì)天線輻射方向圖的要求。

通常使用比吸收率(Specific Absorption Ratio,SAR)來衡量單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收的電磁輻射能量。為了驗(yàn)證該雙頻段雙模式天線在可穿戴設(shè)備中使用時(shí)對(duì)人體產(chǎn)生的輻射影響,進(jìn)行了SAR 仿真,以IEEE C95. 3 為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),輸入功率為0. 5 W 時(shí),其在2. 45、5. 8 GHz 時(shí)的SAR 仿真結(jié)果如圖13 所示。以1 g 為標(biāo)準(zhǔn),在體表通信模式下得到的SAR 平均峰值為0. 15 W / kg,在體外通信模式下得到的SAR 平均峰值為1. 27 W / kg,均低于美國聯(lián)邦通信委員會(huì)1. 6 W / kg 的標(biāo)準(zhǔn)。以10 g 為標(biāo)準(zhǔn),在體表通信模式下得到的SAR 平均峰值為0. 078 W / kg,在體外通信模式下得到的SAR 平均峰值為0. 476 W / kg,均低于歐盟委員會(huì)2 W / kg 的標(biāo)準(zhǔn)。上述結(jié)果表明了該天線在使用過程中對(duì)人體的安全性。

與不同的雙頻可穿戴天線的性能比較如表2 所示。與文獻(xiàn)[1-2]相比,所設(shè)計(jì)天線在雙頻段實(shí)現(xiàn)了2 種輻射方向圖,可應(yīng)用于體表/ 體外2 種通信模式,功能更加完善。與文獻(xiàn)[5-6]相比,該天線具有更小的天線尺寸。因此,該天線很好地實(shí)現(xiàn)了雙頻段雙模式的功能。

4 結(jié)束語

本文基于特征模理論設(shè)計(jì)了一款雙頻段雙模式可穿戴天線。首先對(duì)三角形貼片進(jìn)行特征模分析,發(fā)現(xiàn)存在2 個(gè)模式具有定向輻射特性,可實(shí)現(xiàn)體外通信。然后提出加載微帶線的三角形天線結(jié)構(gòu),引入一個(gè)新的特征模式,對(duì)其進(jìn)行特征模分析發(fā)現(xiàn)具有全向輻射特性,可實(shí)現(xiàn)體表通信。最后對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,采用簡(jiǎn)單的同軸線進(jìn)行饋電,最終完成雙頻段雙模式可穿戴天線的設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介

沈飄飄 女,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:可穿戴天線、微帶天線等。

劉巾軍 女,(1969—),碩士,高級(jí)工程師。主要研究方向:質(zhì)量管理。

肖如奇 男,(1993—),博士研究生。主要研究方向:無源器件,諧振天線。

楊 國 男,(1977—),博士,副研究員。主要研究方向:微波毫米波近程探測(cè)與通信技術(shù)。

齊世山 男,(1983—),博士,副教授。主要研究方向:微波天線。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(62271257)

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