一种新型的超宽带圆极化可穿戴天线研究*

0 引 言

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 %)。

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

当前，治理雾霾已成为各级政府的一项重要工作，也是一项重要的民生工程。南水北调中线工程对治理雾霾的巨大作用，应引起有关部门的重视，积极做好中线主体工程收尾及配套工程建设、工程沿线绿化、水资源的科学调度及合理利用等相关工作，让其发挥最大经济效益和生态效益，为治理雾霾、还京津冀人民于蓝天碧水作出应有的贡献。

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。