超宽带纽扣式天线与人体之间的相互影响研究

于松涛 龚书喜 刘 英 洪 涛 姜 文

（西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室，陕西 西安710071）

引 言

以人体为中心的通信系统可应用于体育、军用、医疗等领域，例如人体健康监控，消防救援等.织物天线使用织物材料作为天线的介质，与传统天线形式相比，织物天线具有良好的柔韧性，并且可以集成到人的衣物上，应用于以人体为中心的通信系统（Body-centric Wireless Communications System，BWCS）中，与手机，电脑等个人移动设备进行通讯，从而应用于各种个人通信业务中，为新一代的移动通信提供更大的设计灵活性.织物天线形式多样、结构灵活，可舒适地穿戴于人体，既具有一定的隐秘性，又可满足各种通信系统需求，近年来成为了众多学者研究的热点.

对于织物天线，大多数学者的研究主要集中在由柔性织物材料制成的平面天线及其与人体共形时的性能变化［1-4］.但是这种柔性平面天线受到压迫时，很容易发生弯曲变形，使得天线不能正常工作.因此有学者提出了纽扣式天线［5-6］，这种纽扣式天线由于是采用金属材料制成，不会发生变形，并且可以作为纽扣附加在衣物上，具有很好的隐蔽性.

由于超宽带天线［7-9］在数据传输中具有耗能小，功率低的优点，非常适用于以人体为中心的通信系统.采用了工作在超宽带频段的纽扣式天线.该天线可以被当作纽扣很方便地集成到衣物上，从而在通信系统中不必再为天线提供额外的空间，并且对使用者而言，该天线具有很好的隐蔽性和舒适性.由于在实际应用中，天线将工作在人体附近，而人体作为介质将影响天线的性能，因此着重研究了天线与人体之间的相互影响，讨论了当天线在人体附近不同频率时天线辐射性能受到的影响，以及两天线在人身体上不同位置时的相互传输性能所受到人体的影响，同时也通过对天线电磁波吸收辐射率（Specific Absorption Rate，SAR）值的仿真研究了天线对人体的辐射影响.这部分内容已有文献研究的很少.仿真和实测结果表明，天线在人体附近工作时具有良好的辐射性能，同时对人体的影响符合相关标准，适用于以人体为中心的通信系统.

1 天线的结构与辐射性能

天线结构如图1所示，天线主要由一个金属圆锥和一个金属圆柱结合组成.天线的介质为介电常数为1.3的织物材料，介质的介电常数通过双层带状线法［10］测量得出.天线地板为与天线介质等大的正方形金属地板.天线通过穿过地板中心的同轴线进行馈电.圆锥的渐变结构使得天线具有多个谐振点，可有效的提高天线带宽.天线的各参数通过Ansoft公司的HFSS 13仿真优化得到，如表1所示.

表1 天线参数

图1 天线结构图

天线仿真和实测S11曲线如图2所示，从图2中可以看出实测和仿真的天线S11曲线吻合良好.天线在6，10GHz时的E面和H面仿真和实测方向图如图3所示，从图中可以看出天线的实测方向图与仿真方向图吻合良好，天线的H面方向图具有良好的全向性，并且在整个频带内保持稳定.相较于一般的超宽带天线，本天线的辐射方向图在高频处保持了良好的全向性，没有发生裂瓣，由于着重讨论天线与人体之间的关系，因此对天线的设计过程和辐射性能不再着重讨论.

图2 天线仿真与实测S11对比图

图3 天线的仿真和实测方向图

2 人体与天线之间的影响

2.1 天线对于人体的影响

由于天线将工作在人体附近，通过天线的SAR值来研究天线对人体的影响，特别是天线对人头部的电磁影响.SAR即为单位质量生物组织吸收的电磁功率与生物组织质量之比，其数值的大小反应了天线对人的电磁影响程度.为了研究本天线的SAR值，使用HFSS电磁仿真软件仿真了天线对人体头部和人体上半身的SAR值.

其中，人体部分组织的介电常数由公式1和表2得出［11-12］，如表3所示.

式中：ε∞是材料在太赫兹时的介电常数；σj是离子电导率；εm，τm和αm是材料的每个离散区间参数.

表2 人体组织参数

表3 人体组织在不同频率时的介电常数

如图4所示，头部仿真模型由脑组织液和球形外壳组成，其中脑组织液和球形外壳用于模拟简易的人体头部模型［13］.脑组织液的相对介电常数见表3，外壳的相对介电常数为4.6.同时使用一个四层椭圆形圆柱体表示人体的上半身，外层为皮肤平均厚度为2mm；第二层为脂肪，平均厚度为5mm；第三层为肌肉，平均厚度为10mm；第四层为内脏，厚度大于30mm，各组织的相对介电常数见表3，其中为了便于仿真，用心脏的介电常数作为了人的内脏的介电常数.分别假设天线位于人体肩部和胸部，天线对人体最大SAR仿真结果如表4和表5所示，其中人脑处最大的SAR为0.9w／kg，人胸部最大的SAR为0.8w／kg，小于国际非电离辐射防护委员会规定限值：2w／kg.

图4 人体头部模型

表4 人脑在不同频率时的最大SAR值

表5 人胸部在不同频率时的最大SAR值

2.2 人体对于天线的影响

在实际应用中，纽扣式天线需要在人体附近工作，而人体作为介质，会对天线性能产生影响.因此下面讨论人体对于天线的影响.天线首先被放置在距人胸部8mm处，其中天线的地板与人的胸部平行，8mm的空隙是为SMA接头留出的放置空间.与天线被放置在空气时相比，此时实测的天线S11变化很小，如图5（a）所示.同时当人运动时，天线的性能有可能受到影响，因此研究了天线在人的手臂处于不同状态时，天线S11的变化，如图5（b）所示.从图5（b）中可以看出，手臂的举起与放下对天线S11的影响很微弱.

图5 在人体附近时天线S11的对比图

图6为4GHz和10GHz时，天线放置在空气中和人体胸上的对比方向图，其中人体模型采用了表3给出的各组织在4GHz和10GHz时的介电常数.可以看出，天线方向图受到的影响不大.因此当天线放置在人胸部时，天线辐射性能基本不变.这是由于天线的地板已经足够大，减小了人体对于天线的影响.

图6 天线在空气中和在人体附近时的方向图

由于在实际应用中，可能需要多个天线同时工作以覆盖整个空间，而多天线放置于同一平台时，有可能因互耦而影响天线的性能.因此下面对两个纽扣式天线之间的隔离度进行了测量.图7是天线在人体上可能放置的几个位置.当两个纽扣式天线放置在肩部时（点1-点2），与两天线保持相同距离在空气中时的测量结果相比，如图8（a）所示，天线之间的隔离度增大了约10dB，这是由于头颈部的存在阻碍了天线之间的传输.而当两个纽扣式天线放置在胸部衬衣纽扣的位置时（点3-点4），与在空气中时相比，如图8（b）所示，天线之间的隔离度基本不变，这是由于人体胸部是平坦的，对于天线之间的传输没有阻碍作用.图8（c）给出了一个天线放置在点5，而另一天线分别放置在点6，点7和点8时的隔离度，其中点8在人的背后，可以看出点5到点7相较于点5到点6，天线之间的隔离度有所增加，这主要是由于天线之间距离的增加所造成的，而点5到点8，两个天线之间的隔离度相较于其它两条曲线则明显增大，这显然是由于人体躯干的存在阻碍了天线之间的传输.两天线在人肩部以及前后两侧时隔离度的增大表明天线的抗干扰能力强，有利于纽扣式天线与人体外的天线进行通信，也更利于日后将多个天线设置于人体的不同位置，以覆盖整个空间.

图7 天线在人身体上的不同位置点

图8 两天线在不同位置时的S21对比图

3 结 论

基于一种采用织物材料为介质的超宽带纽扣式天线，讨论了天线与人体之间的相互影响，分析了在不同频率时天线的回波损耗和方向图受到的影响，两个天线在空气中和人体上不同位置时，天线之间的隔离度的变化，以及通过对SAR值的仿真，来表明天线对人体的辐射影响.仿真和实测结果表明天线的结构使得天线的地板有效地减小了天线放置在人体胸部时人体对天线辐射性能的影响和天线对人体的影响.两天线放置于人体的肩部两侧及胸前和背部时，天线之间的传输系数增大，这也有利于未来在人体附近放置多天线以覆盖全空间，天线对人体的辐射影响符合相关标准，综上所述，该天线适用于以人体为中心的通信系统.

［1］PAUL D L，GIDDENS H，PATERSON M G，et al.Impact of body and clothing on a wearable textile dual band antenna at digital television and wireless communications bands［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2013，61（4）：2188-2194.

［2］MONTI G，CORCHIA L，TARRICONE L.UHF wearable rectenna on textile materials［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2013，61（7）：3869-3873.

［3］KAIVANTO E K，BERG M，SALONEN E，et al.Wearable circularly polarized antenna for personal satellite communication and navigation［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2011，59（12）：4490-4496.

［4］MOHD RAIS N H，SOH P J，MALEK M F A，et al.Dual-band suspended-plate wearable textile antenna［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12：583-586.

［5］SANZ-IZQUIERDO B，BATCHELOR J C，SOBHY M.UWB wearable button antenna［C］／／First European Conference on Antennas and Propagation.Nice，Nov 6-10，2007：1-4.

［6］SANZ-LZQUIERDO B，MILLER J A，BATCHELOR J C，et al.Dual-band wearable metallic button antennas and transmission in body area networks［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，4（2）：182-190.

［7］钟顺时，梁仙灵，延晓荣.超宽带平面天线技术［J］.电波科学学报，2007，22（2）：308-315.ZHONG Shunshi，LIANG Xianling，YAN Xiaorong.UWB planar antenna technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（2）：308-315.（in Chinese）

［8］唐志军，何怡刚，詹 杰，等.紧凑型共面波导馈电的超宽带印刷天线设计［J］.电波科学学报，2012，27（3）：572-577.TANG Zhijun，HE Yigang，ZHAN Jie，et al.Design of coplanar waveguide fed printed antenna with compact size for ultra-wideband wireless applications［J］.Chinese Journal of Radio Science，2012，27（3）：572-577.（in Chinese）

［9］崔恒荣，陆云龙，沈 伟，等.双阻带特性的超宽带单极子天线设计［J］.电波科学学报，2013，28（1）：137-147.CUI Hengrong，LU Yunlong，SHEN Wei，et al.Ultra-wideband monopole antenna with dual band notches［J］.Chinese Journal of Radio，2013，28（1）：137-147.（in Chinese）

［10］DAS N K，VODA S，POZAR D M.Two methods for the measurement of substrate dielectric constant［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1987，35（7）：636-642.

［11］HALL P S，HAO Y.Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications［M］.Norwood：Artech House，2006.

［12］GABRIEL C，GABRIEL S.Compilation of the Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies［EB／OL］.（2013-09-13）［2013-07-03］.http：／／niremf.ifac.cnr.it／docs／DIELECTRIC／home.html.

［13］李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解［M］.北京：人民邮电出版社，2010.