应用于1.4_GHz的紧凑型可穿戴阵列贴片天线设计_付梦晗.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20221026基金项目:国家自然科学基金资助项目(No 41601399)、博士科研启动基金(No BSQD2020011)、太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室开放基金项目(No HBSEES202007)作者简介:付梦晗(1996)，女，硕士研究生，主要研究方向:射频技术。Email:1157106757 qq com通讯作者:丰励(1982)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向:毫米波电路相关研究。Email:28051533 qq com应用于 1.4 GHz 的紧凑型可穿戴阵列贴片天线设计付梦晗，丰励，庞恺湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉430068摘要:针对天线可最大限度探测人体深层组织需降低天线的回波损耗和增加带宽性能问题，提出了一种可穿戴阵列贴片天线。该天线尺寸大小为 40 mm40 mm2.54 mm，上下两层的介质基板厚度均为 1.27 mm，添加上层介质基板是为了天线与更深的组织层匹配，将单元贴片天线以 22 的形式集成到单个基板上组成阵列，并用 HFSS 仿真软件搭建人体组织模型进行仿真。仿真结果表明，单元贴片天线在中心频率 1.4 GHz 处的回波损耗达到20 dB，10 dB 处的阻抗带宽为 1.3841.411 GHz，阵列贴片天线在中心频率 1.4 GHz 处的回波损耗达到25 dB，在10 dB 处的阻抗带宽为 1.3831.424 GHz，由于天线加工误差导致实物测量时天线的中心频率发生右移，但总体与仿真结果一致。两款天线对比可知阵列天线相较于单元天线的回波损耗更低，带宽更宽。关键词:可穿戴设备;阵列贴片天线;回波损耗;小型化中图分类号:TN82文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.033Design of a compact wearable array patch antenna applied to 1.4 GHzFU Menghan，FENG Li，PANG KaiSchool of electrical and Electronic Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，ChinaAbstract:Aiming at the problem that the antenna can maximize the detection of deep tissues of human body，thereturn loss of the antenna and the increase of bandwidth performance of the antenna are proposed，and a wearable arraypatch antenna is proposed The size of the antenna is 40 mm40 mm2.54 mm，and the thickness of the upper andlower dielectric substrates is 1.27 mm，the upper dielectric substrate is added to match the antenna with the deeper tis-sue layer The unit patch antenna is integrated into a single substrate in the form of 22 to form an array，and the hu-man tissue model is built with HFSS simulation software for simulation The simulation results show that the return lossof the unit patch antenna at the center frequency of 1.4 GHz reaches 20 dB，the impedance bandwidth at 10 dB is1.3841.411 GHz，the return loss of the array patch antenna at the center frequency of 1.4 GHz reaches 25 dB，and the impedance bandwidth at 10 dB is 1.3831.424 GHz Due to the antenna processing error，the center fre-quency of the antenna shifts to the right during physical measurement，but the overall is consistent with the simulationresults The comparison shows that the return loss of array antenna is lower and the bandwidth is wider than that of unitantennaKey words:wearable devices;array patch antenna;low return loss;miniaturization1引言近年来在医疗领域中，从监测、诊断到治疗，许多和健康相关的应用系统与人体内核心体温相关联1。由于人体内部温度与皮肤温度有很大的不同，内部温度的变化不一定导致皮肤温度的变化，因此，跟踪人体内部和皮肤温度之间的差异是很重要的。但普通的微波辐射计前端探头在接触人体表面时体积较大，导致前端天线在工作时会受到周边环境的严重干扰，不适用于可穿戴，且微波辐射计的带宽越宽，灵敏度就越高，这就要求设计前端天线时需考虑天线的带宽性能。在上述背景下，为了更好地提升佩戴舒适度，便于携带、小型化、增加天线工作带宽对设计可穿戴http /www laserjournal cn天线具有重要意义23。类似天线文献综述对比，文献 4 提出柔性可穿戴织物天线，以织物为柔性基体，用石墨烯与聚苯胺填充 PDMS(Polydimethylsiloxane)制备柔性导电贴面与接地平面，该天线虽易与人体共形，性能良好，但这种复合导电材料工艺流程制备复杂，不易于操作。文献 5 提出了传统天线和电磁带隙结构(Electromag-netic Band Gap，EBG)相结合的方法，而单个天线的正方形结构为 27 mm27 mm，采用 33 的结构后天线基板平面设计达 83 mm83 mm，总体尺寸偏大。文献 68提出以牛仔布为天线基材的小型化双波段纺织可穿戴天线，虽然牛仔布料更轻更薄易于融入服装，但每种织物的介电常数不同，需要在设计前找到具有一定介电常数和厚度的纺织品。文献 910 提出的基于三维正交机织物的微带天线，将介质基板、辐射贴片和接地板三者采用玻璃纤维和铜丝直接捆绑成一个整体，天线整体四元阵的尺寸较大，且由纤维织成的纺织天线在弯曲时纤维的伸长会使天线的实际尺寸发生变化，影响天线性能。因此，针对天线工作频率在 1.41.427 GHz 的“安静”频带，设计一款可穿戴紧凑型阵列贴片天线，即在下层介质基板上加载四个对称的接地短路针用于减小圆形贴片天线的尺寸1113，实现天线小型化，天线采用 50(同轴线馈电的方式进行馈电，因为同轴线馈电抗干扰较强，系统达到阻抗匹配后，能够有效地进行能量传输1415。整体从回波损耗，天线带宽和小型化进行设计，并通过仿真和实验验证所设计天线的可行性。2天线基本参数分析和设计方案2.1天线带宽与输入阻抗2.1.1天线带宽天线的电参数通常可以利用天线频带和天线带宽反映出来，带宽(BW)指的是上下限在工作状态时的频率之差(分别表示为 fH和 fL)，天线工作频带的上限和下限由反射系数 S11小于10 dB 的点来定义。在该特性的基础上对天线带宽进行计算16。天线的绝对带宽用 f 表示，通过下式可计算得出:f=fHfL(1)式中，fH表示天线工作频率范围的上频;fL表示天线工作频率范围的下频。天线的相对带宽用 BW 表示，计算结果如下公式所得:BW=2(fHfL)fH+fL100%(2)2.1.2输入阻抗天线的输入阻抗和馈线之间实现阻抗匹配在天线设计过程中非常重要，良好的匹配可增加天线的功率传输和效率。而影响天线输入阻抗的决定性因素有天线自身的工作原理、天线结构与尺寸、天线周边介质环境及所处工作频段。即天线馈电端口电压和电流之比称为天线的输入阻抗，通过下式计算得:Zin=PinIin2=VinIin=in+jXin(3)2.2天线结构天线初期设计的基本结构采用的介质基板是厚度 h=1.27 mm 的 ogers6010 板材，其相对介电常数为 10.2，损耗正切角 tan=0.002，天线整体尺寸为40 mm40 mm1.27 mm。介质基板的上方覆有半径r0的圆形贴片，利用特性阻抗为 50 的同轴线馈电形式沿 X 轴正方向 xf处设置内导体半径为 r1的馈电端口，同轴线的外导体与介质基板底部地面相接，内导体则穿过介质基板与天线贴片相连，在同轴线内导体与介质基板底部接触面设置一个隔离环，防止天线通电时发生短路，天线设计的接地面也可帮助屏蔽射频干扰。天线基本结构如图 1 所示。图 1天线基本结构当可穿戴天线工作在人体附近时，人体不同电磁特性的层状物质对天线性能具有一定的影响。这也对可穿戴天线的设计充满了挑战。主要因为人与人之间的不同以及组织层厚度在人体的不同部位均具有差异，对于像脂肪这样导热性差的厚组织层会对能量传输产生一定的影响。而在单层介质基板上方添加一个相同厚度的覆盖层可有效使天线达到阻抗匹配，也可降低天线对周围介质的敏感性，继而在 X 轴正方向 xd处引入一个半径为 r2的感应短路引脚接地，用于减小介质基板上层圆形贴片的尺寸，此时单元贴片天线有两层相同厚度为 1.27 mm 的介质基板，单元 贴 片 天 线 的 整 体 尺 寸 为 40 mm 40 mm 2.54 mm，如图 2 所示。43付梦晗，等:应用于 1.4 GHz 的紧凑型可穿戴阵列贴片天线设计http /www laserjournal cn图 2单元贴片天线结构图由于天线的回波损耗和带宽性能与后续整个系统测量相关联，为了提高测量精度，文章在单元贴片天线设计的基础上，利用该结构以 22 的形式集成到单个基板上组成阵列贴片天线如图 3 所示。图 3阵列贴片天线结构图该阵列贴片天线与单元贴片天线尺寸大小相同，结构不同，且四个相同圆形贴片之间两两距离相等。2.3人体组织仿真模型对于接触人体所设计的天线，人体组织层的介电特性是需要考虑的重要因素。天线位于组织层的近场时，不同组织层之间高介电常数对比度对天线接收组织辐射具有一定的影响，天线在工作过程中能量会朝向四周辐射，对天线能量传输产生一定的影响，为了测试文中设计的天线工作性能，用 3 层介质层代表人体的组织结构，分别包括皮肤层、脂肪层和肌肉层。其介电常数、损耗角正切值、和电导率如表 1 所示。表 1人体组织结构的电磁特性TissuePermittivitytan(S/m)Skin39.6610.3351.036Fat11.20.1540.065Muscle54.1120.1720.15根据表 1 提供的数据，使用 HFSS 仿真软件建立了人体组织立方体模型，因天线添加的覆盖层不仅改善了天线在测量时与人体的阻抗匹配效果，还屏蔽了部分人体自身组织介电特性对天线的干扰，使得天线可直接接触人体皮肤。人体仿真模型在设置人体组织层相关参数时，将人体皮肤层、脂肪层和肌肉层的厚度分别设置为