小型化EBG结构双频牛仔可穿戴天线*

王 帅, 梁领帅, 毋 皓，段亚朋

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

随着科学技术和无线体域网(wireless body area network,WBAN)的发展，可穿戴天线研究也越来越引起研发者的关注，更多地被应用于医疗、军事、智能穿戴设备、矿井下可穿戴检验设备。因可穿戴天线应用场景的特殊性，基板材料一般选择布料或者其他柔性的材料，同时也需要考虑到天线工作时的弯折性能和比吸收率(specific absorption rate,SAR)[1]。

天线可以放置在人体表面，也可以嵌入人体内部配合终端设备一起使用[2]。较早的可穿戴天线设计时采用一些硬度较大的材料作为天线的基板，这样就导致了天线整体硬度较大使用时舒适度较低[3]。为了解决这些问题，出现了以聚酰亚胺、天然橡胶[4]和聚对苯二甲酸乙二脂(polyethylene terephthalate,PET)[5]作为天线的基板，这些材料拥有良好的耐热性和适中的硬度。随着可穿戴天线研究的深入，出现了以牛仔布料[6]、毛毡布料、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)[7]这类更具柔韧性，在穿戴时更加舒适的基板材料。本文选择牛仔布料作为天线基板的材料。

1.1 天线结构设计

本文设计了一种基于电磁带隙(electromagnetic band gap,EBG)结构的双频段可穿戴天线，天线整体仿真结构如图1(a)所示。

在图1(b)中为天线实物图，实物制作采用激光刻蚀技术，天线尺寸误差相对较小，在导电铜片和基板之间采用导电胶进行粘合，天线和EBG基板结构之间利用导电胶进行固定，两者之间留有空隙。

图1 天线仿真和实物结构

天线整体结构由基板层和导电层组合而成。其中，基板层采用相对介电常数εr=1.54，损耗角正切值tanθ=0.02的牛仔布料制成。下层EBG反射基板层尺寸为49 mm×49 mm，厚度为h1=0.5 mm；
双频天线下方的基板层尺寸为20 mm×45 mm，厚度h2=0.5 mm。天线导电层采用h3=0.08 mm，电导率σ=0.18 Ω/□，共面波导阻抗为50 Ω的铜箔材料制作而成。

1.2 EBG结构设计

图2为本文采用的EBG贴片结构的简易等效电路，EBG结构采用和天线一样的铜箔材料，EBG结构等效电路输入阻抗和谐振频率的关系如式(1)和式(2)所示

图2 EBG贴片简易等效电路

(1)

(2)

可以发现，当矩形贴片中间增加环状电容C2之后，单元之间的电容C1减小，单元内的等效电感L1增大。对于EBG等效电路来说L1对于谐振频率的影响要大于C1。因此，环状EBG结构可以在缩小自身体积的同时减小天线的谐振频率。而且，在对于人体辐射方面环状EBG结构可以大幅度降低天线对人体的能量辐射[8]。

如图3所示为EBG结构表面的电流辐射示意，从图中可以看出，单个EBG单元为中心对称结构，同时X轴上电流方向相反，可以抵消；
Y轴上电流相互平行，彼此增强。对于整个EBG结构而言，在每个单元中都会出现共振的现象。由X轴和Y轴方向电流分布可知，天线在工作时，负Z轴方向上的辐射大部分会被反射回来，因此EBG基板可以很好地保护人体，降低SAR值[9]。

图3 EBG结构表面电流分布示意

EBG结构尺寸为一个EBG单元由面积为Ge1×Ge1的矩形在内部挖去面积Ge2×Ge2的矩形组合而成，由于天线体积的原因，本文采用3×3的结构，其中,Ge1=15 mm,Ge2=6 mm，每个单元之间的距离为Ge=1 mm。

1.3 天线优化设计

本文采用三维电磁仿真软件HFSS(high frequency structure simulator)优化天线的各项指标[10]。原始天线整体结构由上层天线结构、中间天线基板(采用牛仔布料)、下层地结构再和EBG结构进行结合，两者的间距为h3=0.5 mm，整个天线初期原始结构及性能如图4所示。

图4 天线原始结构与性能

从结果可以看出，天线整体性能表现较差，中心频率未能在所需要的范围内，不能满足设计的要求。

根据天线等效电路原理，对天线整体增加等效电容和等效电感，采用单一变量原则对相应的每个参数进行优化，其中参数a4,a5,b4,b5这4个参数对天线整体等效电容和等效电感有很大的影响。为了增大天线等效电路中等效电容和等效电感的大小，考虑在a4,a5,b4,b5围成的区域内增加1个长宽为k1,k2的矩形EBG，优化后天线如图5所示，图5(b)为优化天线性能，可以看出天线性能表现良好。

图5 优化后天线结构与性能

天线具体参数如表1所示。

表1 天线结构参数 mm

采用天线矢量分析仪对天线实物性能进行测量，将天线原始性能、天线优化后性能、天线实测性能进行对比，如图6所示。

图6 天线回波损耗对比

2.1 天线弯曲性能考量

弯曲半径R2为自变量范围R为50～200 mm,分别对X轴、Y轴方向上的弯曲天线进行仿真，通过图7(a2)和(b2)可以看出，天线在发生一定形变时在低频段2.45 GHz性能变化影响较小，但在高频段5.8 GHz时中心点普遍向右移位，相应的带宽也会减小。通过仿真结果可以得出，天线弯折对5.8 GHz影响较大，性能会产生一定程度的下降。

图7 天线X轴、Y轴弯曲与性能变化曲线

图8为天线实物在圆柱曲率R=150 mm的泡沫模型上进行X轴方向弯曲的实测结果，可以看出实测结果和天线在X轴上的仿真结果相比在中心频率2.4 GHz处相差不大，5.8 GHz处天线中心频率右移，回波损耗性能稍有减弱。

图8 天线弯曲性能实测

2.2 SAR值的测量

对于可穿戴天线而言，SAR值的大小是评定天线性能好坏的很重要的指标，在天线工作的过程中，会将能量朝着四周进行辐射，过量的辐射会对人体造成伤害，令人体局部发热，辐射过量会对人的生理系统造成不可逆的伤害，影响健康[11]。SAR的意义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁辐射能量，单位为W/kg或者mW/g。其中，美国对于人体吸收的标准值采用每1 g≤1.6 W/kg，欧洲采用的标准值为10 g≤2.0 W/kg[12]。公式如下

(3)

式中W为辐射能量;m为质量;V为体积;ρ为密度。通常采用SAR作为衡量电磁辐射的指标，其计算公式为

(4)

式中σ为人体组织的电导率，ρ为人体组织的质量密度，E为人体组织中电场的均方根，具体如式(5)所示

(5)

利用HFSS建立人体组织模型，根据皮肤、脂肪、肌肉3层结构各自在2.45 GHz处的介电常数值以及厚度，建立好人体组织仿真模型后[13]，将是否带有EBG结构的正常天线进行仿真对比，具体仿真模型图和仿真结果如图9所示。

图9 带EBG结构天线在人体组织仿真

本文中对天线有无EBG结构以及天线在X轴和Y轴上的SAR值大小进行了仿真，其中，在X轴和Y轴上采用R=50 mm的弯曲形态，具体的结果如表2所示。通过表2可以看出，天线在增加EBG基板之后，可以大幅度降低SAR值，满足可穿戴天线的需求。

表2 SAR值结果

将本文设计的天线和其他类型的天线进行性能对比，发现本文设计的天线具有2.45 GHz和5.8 GHz的优势，同时在2.45 GHz时天线带宽性能和回波损耗表现良好，带宽可达到1 380 MHz，远远高于其他同类型的天线，同时在增加EBG结构后，天线的SAR测量数值大幅度减小，远远低于人体辐射规定的标准，具体的性能参数比较如表3所示。

表3 天线性能对比

通过表3的对比可以得出，本文设计的天线与同类型天线相比有很大的改进。在文献[15]和文献[16]中，天线设计的整体尺寸相对较大，同时使用的导电材料相对较厚，使得天线在可穿戴方面性能有所欠缺；
相比于文献[7]来说，本文设计采用牛仔布料作为天线基板性比于FR4来说穿着更加舒适，天线在实现弯折时也更加容易；
与文献[14]和文献[6]相比，本文设计的天线可以实现双频段通信，同时具有更宽的频带；
文献[16]和文献[17]相比，回波损耗基本相当，但在带宽和SAR值方面性能更加优良，而且在满足天线的可穿戴的使用的前提下还可以保有裕量为后续的改良优化保有空间。

本文提出了一种基于牛仔布料作为基板将双频段贴片天线和EBG结构进行结合，实现了宽频带、可弯折、低SAR值的可穿戴天线。通过对比验证，本文设计的天线在带宽和频段方面性能表现较好，并拥有较好的方向性、增益及回波损耗性能；
对天线弯曲角度和天线性能的关联进行了仿真，同时对天线实物进行测量，天线在正常形态和X轴弯折状态下性能曲线和仿真结果相差不大，可以满足设计需求。后续工作可以针对弯曲的影响对天线性能做进一步优化。