设计结构紧凑的可穿戴共形天线

2016-12-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:本文提出了一种结构紧凑的可穿戴天线并加载模拟人体进行仿真。天线结构为印制在FR4介质基板上的正弦形对称振子,通过梯形渐变线巴伦平衡馈电,天线尺寸为0.4λ×0.096λ×0.008λ(λ为谐振频率对应波长)。在CST软件中对天线建模,仿真结果表明天线在2.28GHz-2.57GHz频带范围内,电压驻波比(VSWR)小于2,最大增益大于2.3dBi。模拟人体结构包括皮肤,脂肪,肌肉三层结构,加载模拟人体后天线谐振频率变化小,方向图稳定,2.4GHz工作频率下最大增益大于5.8dBi。天线结构简单,实用性好,适用于蓝牙、WIFI等以人体为中心的短距离无线通信。

一、引言

近年来,以人体为中心的无线通信被广泛应用于不同领域,例如远程医疗,卫星通信,全球定位系统等。可穿戴天线作为人体中心通信辐射和接收电磁波的的装置,起着重要作用。所谓可穿戴天线,就是指天线以特殊的结构或者特殊的材料构成,从而集成到人体所穿戴的衣物上。可穿戴式天线在设计时必须考虑以下要求:具备稳定的电特性;结构紧凑,重量轻;易于与身体或设备共形。

国内外对于可穿戴天线的研究主要在于:1、在人体的不同位置放置平面印刷天线获得所需要的性能[1][2],2、与衣物集成化设计的特殊材料共形天线[3],如集成在纽扣上[4]和皮带上[5]的可穿戴天线。然而,在可穿戴天线的设计中,通常会出现以下问题:由于可穿戴天线是集成在衣物上或者人体表面的,因此天线工作于人体附近[6][7],而人体可以看作一种特性复杂的介质,必然对天线的性能参数产生影响[8][9],主要影响是由于辐射能量部分被人体吸收,使得辐射效率降低(据估计,移动电话的最高效率为30~50%,而最差只能达到3~5%)。故而对穿戴式天线的研究主要集中于如何保持与人体的共形性以及如何获得高增益。

本文提出了一种阻抗带宽覆盖ISM 2.4GHz频段的可穿戴天线,具有小型化,可共形的特点。为了能够实现所需功能,对天线结构尺寸在CST中建模仿真优化,并且对天线加载模拟人体来验证天线的工作稳定性与实用性。

二、天线设计

本文提出的可穿戴共形天线结构如图1所示,主要由辐射部分和馈电部分双层结构组成。天线辐射部分为平面对称振子,振子结构采用蜿蜒正弦曲折线,这样的设计能使天线获得额外的电感系数从而便于小型化。馈电部分为梯形渐变线巴伦,其中微带线的宽度为0.8mm。巴伦结构的引入可以保证辐射部分输入端得到平衡馈电,并且起到阻抗匹配的作用。对称振子和巴伦结构都印刷在介电常数为ε=4.4、厚度为H=0.5mm的FR4介质板上,馈电部分通过金属圆柱连接到辐射部分。在2.4GHz谐振频率下,天线整体尺寸为0.4λ×0.096λ×0.008λ(λ为谐振频率对应波长),天线整体较小,便于携带,故可以放置在人体的不同位置而不会对人的自身行为造成影响。使用电磁仿真软件CST对本文中设计的天线进行建模仿真和尺寸优化,最终得到的尺寸参数如表1所示。

设计结构紧凑的可穿戴共形天线CST电磁仿真分析图片1

(a)天线立体图及其分解结构

设计结构紧凑的可穿戴共形天线CST电磁仿真分析图片2

(b)天线俯视图

图1、天线示意图

表1、优化后天线结构各尺寸参数值(单位:mm)

L1	L2	R	W1
50	18	1.7	12

天线电压驻波比如图2中红色曲线所示。天线在2.28GHz-2.57GHz频带范围内电压驻波比小于2,阻抗带宽达到290MHz,具有宽频带特性。谐振频点近似在2.4GHz,在谐振频点处电压驻波比为1.23。天线在2.4GHz频点下的增益方向图如图3所示。天线具备典型对称振子辐射方向图,最大增益可以达到2.32dBi。

设计结构紧凑的可穿戴共形天线CST电磁仿真分析图片3

图2、天线电压驻波比

设计结构紧凑的可穿戴共形天线CST电磁培训教程图片4

图3、天线立体增益方向图

三、模拟人体仿真

在研究人体对天线的影响时,必须精确建立人体模型,但是人体是由多种形状各异、电磁特性复杂的生物组织构成的;并且大多数生物组织都是非均匀的色散介质,所以无法精确建立人体模型。但是可以通过采用构建不同人体模型,获得多次结果来尽可能的获得在误差允许范围内的数据[10]。

由于天线并非直接与人体接触,我们在天线下方距离天线4mm处放置一个类似人体胸膛的方块。在CST中建立人体模型,如图4所示,从上往下依次设置为皮肤层(厚度2mm),脂肪层(厚度5mm),肌肉层(厚度10mm)三层结构,模型体积为200mm×160mm×17mm。通过设置类人体的介电常数等电特性,获得仿真结果,观察人体对于天线的影响。

设计结构紧凑的可穿戴共形天线CST电磁培训教程图片5

图4、模拟人体模型图

加载模拟人体模型后,天线电压驻波比如图2绿色曲线所示,在2.24GHz-2.51GHz工作频率范围内,电压驻波比小于2,阻抗带宽达到270MHz,具有宽频带特性。天线谐振频点稍微向低频处偏移,这是由于加载人体后相当于加载复合介质,相当于使天线等效电长度增加了。天线增益方向图如图5所示,可以看到加载模拟人体后,天线方向图受到了影响,基本变成了单向辐射。这是由于模拟人体模型对天线辐射电磁波具有强反射,这同时也使得天线的主瓣增益提高。

四、总结

本文设计的工作于ISM 2.4GHz频段的正弦形可穿戴天线具有尺寸小,结构紧凑,容易加工等特点。天线通过巴伦馈电,带宽大于250MHz,电特性稳定。在CST仿真软件中对天线加载模拟人体进行建模仿真,在加载人体模型前后,天线谐振频率和阻抗带宽变化很小,辐射方向图稳定为单向辐射,最高增益可达5.88dBi。仿真结果可以看出,该天线的设计基本符合我们的需求,并且由于总体只有不到50mm,所以可以印刷在衣服的各个部位,具有良好的共形性,也不会影响到人体自身的活动性。

设计结构紧凑的可穿戴共形天线CST电磁培训教程图片6

图5、加载模拟人体后天线立体增益方向图

作者:西安电子科技大学徐乐凡徐超龙

参考文献

[1] Lee G, Psychoudakis D, Chen C, et al. Omnidirectional Vest-Mounted Body-Worn Antenna System for UHF Operation[J]. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2011, 10:581 - 583.
[2] Zhu S, Langley R. Dual-Band Wearable Textile Antenna on an EBG Substrate[J]. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2009, 57(4):926 - 935.
[3] Vallozzi L., Vandendriessche W., Hendrik R., Hertleer C. And Scarpello M.L., “Wearable textile GPS antenna for integration in protective garments”, pp. 1-4 Proc. Of the Fourth European Conference, pp. 1-4, April 2010, Barcelona, Spain.
[4] B. Sanz-Izquierdo, F. Huang and J. C. Batchelor, “Covert dual-band wearable button antenna”, Electronic letters, Vol.42, No.12, pp. 668-670,June 2006
[5] Sanz-Izquierdo B. And Batchelor J. C., “A dual Band Belt antenna” Proc. International workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, iWAT 2008. Pp. 374-377, March 2008, Chiba Japan.
[6] 魏文元,宫得明,陈必森. 天线原理[ M ]. 西安: 西安电子科技大学出版社,1994. Wei W Y,Gong D M,Chen B S. Antenna theory[ M ]. Xi’an: Publishing House of School of Electronic Engineering, Xidian University,1994.
[7] Klemm M, Troester G. Textile UWB Antennas for Wireless Body Area Networks[J]. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2006, 54(11):3192 - 3197.
[8] PBO Fiber Zylon Technical Information,Toyobo Co.,LTD.,Osaka,Japan,2005.
[9] Z.Wang,L.Zhang,Y.Bayram,and J.L.Volakis,“Embroidered conductive fibers on polymer composite for conformal antennas,”submitted to IEEE Trans. Antennas Propag.,2011.
[10] Dimitris Psychoudakis,and John L.Volakis,“Conformal Asymmetric Meandered Flare(AMF) Antenna for Body-Worn Applications,” IEEE Trans.and Wireless Propag.,vol.

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