应用于2.45 GHz体域网的可穿戴天线弯曲和手臂加载效应研究外文翻译资料

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应用于2.45 GHz体域网的可穿戴天线弯曲和手臂加载效应研究

Bin Hu, Guo-Ping Gao, Le-Le He, Xiao-Dong Cong,and Jin-Ning Zhao

摘要：本文比较了三种适用于2.45 GHz体域网的柔性织物天线。两种用于形成辐射贴片和接地平面的导电材料分别为铜箔胶带（CFT，厚度0.05mm）和Shieldex（SH，厚度0.13mm，表面电阻率0.009Omega;）。该基板是一种相对介电常数为1.2，厚度为2mm的薄板。为了适应天线弯曲和放置在人体上的小频移，采用两个短路探头连接辐射贴片和接地平面。与没有短路探头的天线相比,天线的尺寸从96 x 47mm²减少到70 x 25mm²，且自由空间中S₁₁的最小值也从-14.59dB减少到-33.30dB。通过修改提出的结构，进一步设计出了一个更小尺寸的46 x 25mm²的天线，并且它也可以作为一个可穿戴天线。

关键词：弯曲性能，体域网，织物天线，可穿戴天线。

1. 简介

在最近几年，体域网（BAN）通信技术在体育、军事、航海、医学传感、健康监测等许多领域得到了广泛的应用，可穿戴天线在体域网中起着关键作用，并受到越来越多的关注。然而，可穿戴式天线设计在实际应用中仍面临许多挑战。通常，为了集成到衣服上并增加耐磨性和穿着的舒适性，天线的尺寸应该是很小的。此外，当人们移动时天线是很难保持水平的，所以笔者测量了天线在不同的弯曲和褶皱条件下的状态。研究中天线的褶皱是对称的，但当一个人移动时褶皱是难以预料的，所以研究可穿戴天线产生对称的褶皱下的状态是不合理的。因此在本文中，我们研究了两例天线在不规则褶皱下的状态。最后，还应考虑人体对天线的影响，天线应具有最小的阻抗失谐和辐射功率失真，而织物天线可以满足这些要求，它引起了我们很大的兴趣。

首先，提出了一种平面结构织物天线，即天线-1。然后，通过使用两个短路探针连接辐射贴片和接地平面，提出了天线-2且其尺寸大幅降低。数值模拟和实验结果表明，天线-2在不同的弯曲和人体运动条件下性能表现更好。此外，在天线-2的基础上提出了天线-3。作为本论文中的比较组，这三个天线都是仿真的。天线-2和天线-3分别使用两种用于形成辐射贴片和接地平面的导电材料制作，这些材料叫做铜箔胶带（CFT）和Shieldex（SH）。使用这两种不同导电材料的天线分别被称为CFT天线和SH天线。

图1 实物天线（a）CFT天线-1 （b）CFT天线-2和SH天线-2

二、天线设计

该天线-1原型如图1所示（a）。它是在厚度为2mm，相对介电常数为1.2的毛毡基板上制作的。天线-1由两个对称型辐射贴片和一个长方形的平面组成。与天线-1相比，天线-2不同之处在于辐射贴片和接地平面是由两个短路探针相连而成。CFT天线-2和SH天线-2原型展示在图1（b）中，我们制作的毛毡边缘不太光滑，因此，CFT天线的臂与图1的边缘感觉上不平行，但对结果影响较小。图2展示了天线-2的物理尺寸，为了实现50Omega;阻抗特性，将微带线的宽度设计为9mm。在设计过程中，对天线-2的F型辐射贴片长度和宽度的设计，是根据基于以下方程：(1)(2)的中央谐振频率（f_r）：

(1)

(2)

图2 天线-2的物理尺寸图（平面尺寸为L_g x W）

图3 在不同条件下测量的CFT天线-1的S₁₁

其中C,W_f1,lambda;₀和ε_r，分别为光的速度、长度和天线-2的F型辐射贴片的宽度，在2.45 GHz的自由空间波长和相对介电常数。该天线-2详细参数如下（单位：mm）:W=70,L=25,L_g=22,L_f1=28,W_f1=2,L_f2=7,W_f2=2.5,L_f3=13,W_f3=1,W_f4=2,L_f5=2,W_f5=2,L_f=8,W_f=9,H₁=14.8,H=2,R=0.5

三、弯曲和单臂情况下的天线特征

首先，所制造天线-1的S₁₁由CST Microwave Studio Software(MWS)计算得出，采用安捷伦E5071C矢量网络分析仪测量。天线只能沿y轴弯曲，R_a表示弯曲的程度，R_a弯曲半径越小，弯曲程度越高。结果如图3所示，在水平条件下，天线-1完全满足2.45 GHz的应用，但当弯曲半径为Ra = 45mm时，观察到意料之外的频率变化。与R_a = 45mm和R_a＝55mm的情况相比，我们可以预测天线-1的弯曲半径的极限大约是50mm。天线-1加载于手臂上时的测量结果展示在图3中。当天线-1加载于手臂上时，中心频率右移，超出预期的频带范围。天线-1在R_a = 45mm时加载于手臂上的测量数据都在图3中体现。

天线-2在水平条件下的反射系数如图4（a）所示。在S₁₁＜－10dB条件下，CFT天线-2的测量带宽为2.434–2.491 GHz，而SH天线-2为2.445–2.53 GHz。CFT天线-2的测量带宽小于模拟值，而SH天线-2的超出了模拟值，测量值和模拟值之间的差异主要是因为环境影响和制造误差。图4（b）显示了在弯曲条件下天线-2的测量结果。选择弯曲半径R_a为55、45和39mm，结果表明，CFT天线-2和SH天线-2的中心频率随着弯曲半径R_a的降低而左移，在[3]中，天线工作在较低的频率下具有类似结论。根据测量结果可以预测，CFT天线-2弯曲半径R_a的极限值为39 mm，SH天线-2弯曲半径R_a的极限值约为45 mm。综合比较图3与图4，由于两个短路探针的使用，天线-2在弯曲状态下的频率性能表现优于天线-1。

图4 （a）在水平条件下天线-2的S₁₁测量值和模拟值（b）在不同弯曲半径下天线-2的S₁₁的测量值和模拟值

图5 在两种褶皱情况下天线-2的S₁₁模拟值

因为可穿戴天线贴近人体，所以人的运动可能导致挤不可预知的褶皱。我们对天线-2在两种褶皱情况下的性能进行了探讨，并将天线-2褶皱程度在图5中展示了出来。当天线-2在情况2中产生轻微褶皱时，中心频率相较于它的水平状态左移。得出的结论与天线-2弯曲状态下所得结论相同。如果像第一种情况下在天线-2上产生更严重的褶皱，频率特性将变得更差，但如果将天线放置于手臂或人体上的平坦部位，将减小褶皱对天线产生的影响。

图6 （a）加载于手臂情况下SH天线-2的图像（b）加载于手臂情况下天线-2的S₁₁测量值于模拟值

表1

人体手臂模型材料特性

为了研究天线在2.45 GHz下对人体的影响,如图6所示，对天线加载在手臂上的两种弯曲情况都进行了研究，这两种情况分别考虑了穿着衣物和没有穿着衣物。在图6（b）中对一个仿真模型进行了研究，人体手臂模型由外到内为皮肤，脂肪，肌肉和骨骼四层载体，四层载体的厚度分别为2，5，20与13mm。人体组织在2.45 GHz下的不同特性在表I中展示。在仿真中，弯曲的天线-2加载于人手臂模型上，也就是说，弯曲半径R_a = 40mm。图6（b）所示为仿真和测量结果。仿真操作区域转移到设计频带的左侧和外侧。弯曲的SH天线-2在不穿衣服的情况下加载于手臂上，运行带宽实测为2.38–2.485 GHz，而在穿衣服的情况下，运行带宽变为2.43–2.525 GHz。CFT天线-2与SH天线- 2具有相似的曲线趋势，而在相同条件下CFT天线-2运行在-10 dB带宽下小于SH天线-2。此结果与图4（a）和（b）相一致，也就是说，无论是在水平的条件下、弯曲的条件下或加载于手臂条件下，运行在-10 dB下的CFT天线-2小于SH天线-2。

四、天线-2的尺寸缩减和结论

在进一步的讨论下，为了满足可穿戴式天线理想小型结构设计的要求，在天线-2和天线-3的基础上做出了如图7的设计。通过将F形辐射贴片变为E形辐射贴片，天线-2的尺寸从70x25mm²减少到46x25mm²。优化后结构的尺寸如下所示（单位：mm）：W_s=46，L_s=25，L_sg=21，L_s1=16.5,L_s2=13.6,W_s2=1,其他结构的物理尺寸与天线-2相同。图7（b）为CFT天线-3和SH天线-3的照片。图8为天线-3在自由空间与加载于穿着衣物的手臂上时的S₁₁。SH天线-3的实际带宽是从2.44到2.52 GHz，CFT天线-3的实际带宽从2.425到2.51 GHz。实际带宽均大于模拟带宽。这两种加载与穿着衣物的手臂上的天线，运行带相较于水平条件左移。实际值和模拟值的差异主要是由于导电材料没有完全附着在毛毡基底上，导电材料与毛毡基底之间有空气填充，这个问题可以通过更精确的制造工艺来解决。

图7 （a）天线-3的几何结构 （b）CFT天线-3和SH天线-3的图像（地面尺寸为L_sg x W_s）

图8 天线-3在不同情况下的S₁₁的测量值和模拟值

图9 2.45 GHz下仿真辐射模式 （a）xz平面（b）yz平面

通过全向模式在观察XZ平面。该模式在天线-2弯曲时XZ平面和YZ平面减小，但形状与水平条件相似。如图10所示，提出的三种天线在2到3 GHz实现峰值增益。天线-1，天线-2和天线-3在2.45 GHz下，实现的峰值收益分别是4.48，1.47，和0.64 dB。在工作频带内，当天线-2弯曲时，峰值增益值降低。

表二总结了这些天线的S11、带宽（BW）和中心频率（Cen.Freq）仿真和测量的最小值，。结果表明，在弯曲和加载于手臂的情况下，天线-1更加敏感。

图10 所提出天线的仿真实现增益

表2

天线仿真值与测量值参数汇总

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