可穿戴天线研究综述

董雅儒 李书芳 洪卫军

北京邮电大学 北京 100876

引言

近年来，可穿戴设备市场快速增长，各种穿戴形式的设备不断涌现，在娱乐休闲、定位与轨迹跟踪、健康管理、医疗辅助以及军事领域都得到了广泛的应用[1]，体域网通信和可穿戴设备已经成为科研领域的研究热点之一。图1显示2013年以来用Google搜索引擎对以“Wearable Technology”为关键词的搜索量的变化趋势曲线。可见从2013年至2015年，可穿戴技术的搜索热度呈现近似直线上升态势。随着可穿戴技术的日趋成熟，各种可穿戴产品大规模地涌入普通人的生活。可穿戴设备是指应用穿戴式技术对人们日常的穿戴进行智能化配置，将各种传感、识别、连接和云服务等技术，植入到人们的眼镜、手表、手环、服装、鞋袜等日常穿戴中。可穿戴设备不仅仅是一种传统制造业的硬件设备，它更是一种通过移动互联网实现数据交互、云端交互的跨界设备，它的出现必将给人们的生活和认知带来巨大的改变[2]。

图1 2013年以来在Google上对“Wearable Technology”的搜索量分布图(来源：Google趋势)

在可穿戴设备中，可穿戴天线扮演着至关重要的角色，可穿戴天线起到数据传输的媒介作用，天线性能的优劣直接影响整个系统的性能。可穿戴天线最早起源于军事应用，最早期的单兵装备天线是鞭状天线，这种天线暴露在士兵头顶，很容易暴露出士兵的位置，不利于作战。随后，一些隐藏在衣服或者头盔中的天线逐渐取代了鞭状天线。可穿戴天线即为穿戴在人体上的天线，作为可穿戴设备中主要组成元件，它可以集成在衣服、鞋子、手表等附着物上。而可穿戴天线除实现发射和接收电磁波的基本功能之外，需要最大程度地满足穿戴者的舒适度，并且保障穿戴者的安全[3]10。

本文从可穿戴天线的天线性能、可穿戴天线分类以及可穿戴天线的研究现状与未来发展趋势展开调研。

1 可穿戴天线性能

相比于传统的天线，可穿戴天线在外型、尺寸方面有着更加特殊的要求。当可穿戴天线穿戴于胸部或者背部时，其尺寸可以稍大，形状方面并无太多限制。但是根据外观的需求，此类天线的厚度不可太厚。当可穿戴天线佩戴于颈后部、手臂和腰部等位置时，外型可根据位置的不同设计成腰带和手表的形式，此时由于人体的活动，对于天线的弯折特性提出了很高的要求。当可穿戴天线应用于运动领域，对天线的质量和弯折特性需求就相对更高。对于应用于医疗领域，可穿戴天线便需要在安全和数据传递的灵敏性上做出更精密的设计。

1.1 天线效率

在绿色无线电和移动通信环境中，通信效率被视为一个重要的组成部分，尤其是在远程医疗系统中，提高可穿戴天线效率有望成为今后的研究内容。首先，可穿戴设备所配置的电池质量轻，体积小，无法维持长时间地为系统续航。其次，当可穿戴天线安装在人体上时，由于人体的有损性质，天线的反射系数和效率均会受到影响。提高可穿戴天线的工作效率可以用来解决以上问题。提高可穿戴天线效率即是降低天线辐射带来的损耗，选择具有合适介电常数的衬底材料将有助于降低天线材料所带来的损耗。

1.2 鲁棒性

由于可穿戴设备佩戴于人的身体上，人体的活动会对天线造成弯折的影响，弯折会造成天线工作频率的偏移。那么在设计过程中，需要考虑可穿戴天线的鲁棒性。天线的鲁棒性是指在结构、大小等参数改变的情况下，维持某些性能的特性。增大可穿戴天线带宽，同时通过可重构化设计来进行频率补偿是现在大多数研究中所采用的方式。

1.3 比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)

在体域网通信过程中，一方面由于人体的活动和姿态会产生变化，另一方面，通信网关相对于设备节点的位置是不固定的[3]27，因此，要求天线具备较宽的电磁波辐射角度。但是电磁波的辐射对于人体是有危害的，其天线的背向辐射并不是所期望的方向。尤其是当可穿戴设备佩戴于人体头部时，对健康的考虑就变得更加重要。在无线通信的能量传输过程中，电磁场在人体组织的透射过程中部分能量会被人体吸收，对人体产生加热效应；因此，半全向辐射是可穿戴天线所追求的特性。无线通信设备定义了比吸收率来表征天线产生的辐射剂量有多少是被人体吸收的。目前国际通用的标准有两个，一个是由IEEE指定的1g人体组织1.6W/kg的标准；另一个是国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-lonizing Radiation Protection，ICNIRP)制定的每10g组织2W/kg的标准[4]。其具体含义是指以6分钟为计时单位，每千克人体组织吸收的电磁辐射能量不得超过2瓦。在目前的多数研究中，常采用良导体地面或者超材料结构来减少天线的背向辐射，提高天线辐射的主波瓣增益，降低SAR。

2 可穿戴天线分类

近年来除了传统天线之外，新出现了三类可穿戴设备天线：织物天线、纽扣天线和柔性天线。

2.1 织物天线

织物天线指由作为衬底平面的织物材料、导电贴片和地面组成的可穿戴天线，它具有平面化的结构和良好的可集成性，是一种极具潜力的可穿戴天线类型。织物天线可以集成到衣物、家具或者其他织物材料中。与传统天线相比，织物天线需要满足悬垂性的额外需求。悬垂性含义为在任何方向都可弯曲。由于柔性衬底只有一个特定的弯曲方向，因此织物天线的这种特性恰好与标准的柔性衬底形成对比。除此之外，在可穿戴应用中，织物天线必须是平面化的结构从而不会影响穿戴者的舒适性。常见的织物衬底材料有牛仔布、羊毛、毛毡等，这种材料质量轻，可以弯折，与衣服的材质相近，易集成到衣物中。不同类型的织物天线特性在文献[5]中描述。在可穿戴织物天线中，导电材料主要有编织型、缝纫型、印刷型和镀铜型织物布[3]30。

Miroslav Joler等提出一种袖章圆极化可穿戴织物天线，该天线工作频段为2.45GHz，其实物如图2所示[6]。该天线由纯织物材料组成，其尺寸足够小和薄，便于集成到标准的袖章中。该织物天线能够达到5.6%的阻抗带宽，在2.5GHz处的增益达到5.04dBi，辐射效率为55.3%[6]，能够很好地满足可穿戴设备的需要。

图2 袖章天线正面图

通常，双频双模天线是通过集成两个辐射器实现的，这些辐射器由单端口或双端口系统供电，每个辐射器以不同的频率运行并提供不同的辐射模式。Roy B. V. B.Simorangkir等提出一种2.45GHz和5.8GHz双频双模可穿戴天线，结构如图3所示[7]。通过利用圆极化贴片天线固有的TM11模和TM02模实现两种辐射特性，即用于体外链路的贴片状辐射和用于体内链路的单极状辐射。采用短接引脚和两个弧形槽将两种模式调谐到期望的工作频率，该方法可以用于实现简单结构的双频双模天线。所提出的天线的另一个优点是它使用了集成到柔性聚二甲基硅氧烷基底上的银织物，使其更适用于可穿戴应用[7]。文献[7]对该天线附着于人体表面时的性能进行了仿真，结果表明人体介质对该天线性能影响很小。当放置在人体模型上时，分别在2.45GHz和5.8GHz频带测得84MHz和247MHz的带宽，并且分别达到4.16dBi和4.34dBi的增益，这表明其有希望适用于体域网通信。

图3 双频双模织物可穿戴天线

现有文献已经公开了对可穿戴天线的多种设计形态，主要包括背腔式[8]、微带[9]、倒F、平面[10]和垂直单极天线[11-12]。这些天线具有窄带宽、面积大和前后比(FBR)高的特点，并且受身体组织影响严重。文献[13-16]提出将电磁带隙EBG结构用于2.4GHz超材料纺织天线中。在可穿戴天线设计中引入EBG结构，从而降低了背向辐射，提高前后比，并降低组织中的SAR。 然而，这样的结构存在一个明显的缺点，即大多数基于EBG的设计尺寸都比较大[17]。基于这些特点，Adel Y. I. Ashyap等提出一种应用新型小型化电磁带隙结构的2.4GHz紧凑型可穿戴天线，结构如图4所示[18]。EBG结构减少了背向辐射，将前后比提高了15.5dB，并且隔离了天线对人体的影响。当天线贴附于人体表面时，天线谐振特性基本不受影响。所提出的天线具有27%(2.17GHz～2.83GHz)的阻抗带宽，增益增加到7.8dBi，SAR降低95%以上[18]。在弯曲测试中，谐振频率和带宽也基本保持不变。

David Ferreira等介绍了一种在2.4GHz工业、科学和医疗(ISM)频带下工作的矩形纺织贴片天线的弯曲对性能的影响。天线的衬底由牛仔布纺织制成，导电层由镀铜和镀镍的聚酯织物制成。该天线在平面位置提供了最大约4dBi的增益和70°的半功率波束宽度(HPBW)。当受到腕部等效弯曲时，增益降低2dB，HPBW增加约25°，前后辐射比降低。另一方面，图5所示天线沿不同方向弯曲，谐振频率根据天线是围绕其宽度方向还是围绕其长度方向弯曲而产生不同程度的偏移。当将天线围绕其宽度方向弯曲时，观察到向低频偏移，而天线长度方向的弯曲导致频率向高频偏移[19]。因此，在为WBAN应用设计纺织贴片天线时，应根据应用场景可能产生的弯曲程度进行研究，因为相对于天线曲率角的谐振频率偏移可能会严重影响天线的性能。

图4 天线和EBG结构

图5 织物天线弯曲情景

通过上面的例子可以看出，对织物天线的研究在衬底材料的选择上尤为重要，衬底材料对天线效率有巨大的影响。同时，弯曲效应对天线性能的影响也会根据方向的改变而造成不同程度的影响。在考虑天线对人体辐射造成的影响方面，大多数研究都选择稍大的底面或者EBG结构来减少天线的背向辐射，从而保障人体的安全。织物天线是一款非常适合可穿戴应用的天线类型。

2.2 纽扣天线

纽扣天线的实用价值很大，它是一种硬质的可穿戴天线，其类似纽扣的外形，可以很方便地集成在佩戴者的衣服上。常见的纽扣天线有圆形贴片天线和单极子天线，通过设计不同尺寸的辐射贴片，可以调节天线谐振频率，当加载多个谐振结构时可获得多频特性。

Zhang Xiu Yin提出一种用于人体中心通信的双频双模纽扣天线，结构如图6所示[20]。文献[21-23]中的纽扣天线只有一个全向辐射模式，Zhang Xiu Yin设计一个双模全向辐射的天线结构，天线结构由螺旋倒F天线和金属反射器组成。在低频段，螺旋倒F天线形成平行于身体表面的辐射方向图，可实现体表上多个可穿戴设备间的通信；在高频段，高阶模形成垂直天线表面的辐射方向图，从而实现可穿戴设备与体外设备的通信。在低频和高频处，体模测量的峰值增益分别为0.6dBi和4.3dBi。天线在低频带效率为46.3%，在高频带效率为69.3%。随着整体小型化，此类纽扣天线可以集成在衣服中，因此有望成为未来可穿戴设备天线设计的主要形态[20]。

图6 纽扣天线图

相比于文献[21-23]和[24-28]中的纽扣天线，Hu Xiao mu介绍一种用于无线局域网的新型可穿戴纽扣天线。天线由直径大约16mm的纽扣组成，在介质基板顶部安装贴片。该纽扣位于纺织基材和导电纺织品地面的顶部，将被集成到服装中，结构如图7所示[29]。这种天线的主要特点是它具有两种不同类型的辐射方向图：用于体表通信的2.4GHz频带的单极型辐射和用于体外通信的5GHz频带的宽频辐射图。它获得了约90%的辐射效率，该结果高于现有文献中其他纺织天线的性能[29]。

Shengjian Jammy Chen利用可拆卸辐射单元的天线设计理念为可穿戴应用提供模块的几何可重构性[30]。通过利用卡扣式按钮，无论是作为射频(RF)连接还是机械固定机构，都采用不同的模块化可互换微带贴片单元从而获得特定的工作频率和辐射特性。设计的独特性源于所有配置共享一个共同的馈电结构，该馈电结构由搭扣按钮、地平面和耦合馈电的双层基板组成。首先，提出了一种可拆卸的贴片，其在5GHz提供可互换的右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)。其次，给出了用于无线局域网的2.4GHz和5.3GHz频带的可互换谐振频率的平面倒F天线(PIFA)。最后，针对8GHz操作设计了一个补丁模块，以显示频率模块化的多功能性。这种天线设计具有制造和维护成本低的优点，以无源方式实现了多功能可穿戴系统动态可配置特性[30]。

图7 纽扣天线结构图

2.3 柔性天线

可穿戴电子设备的主要挑战之一在于实现灵活、无处不在、坚固且低成本的穿戴式天线，同时又要表现出类似于刚性铜的射频性能。考虑到这一点，柔性可穿戴天线可以很好地解决这一挑战。

Roy BVB. Simorangkir在2018年提出一种新的方法来实现健壮、灵活和电子可调的柔性可穿戴天线。导电织物在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上形成天线的导电部分；天线、电子调谐和RF扼制所需的集总(有源和无源)元件将完全封装于附加层PDMS，具体结构如图8所示[31]。在靠近人体模型的地方，从2.3GHz至2.68GHz进行连续频率调谐，平均带宽为3.3%，平均峰值增益为2.6dBi。在极端弯曲(弯曲半径为28mm)和洗涤后，该天线依然可以保持整体天线性能，包括2.3GHz至2.68GHz的良好频率可重构性[31]。

图8 可重构天线图

Zahir Hamouda介绍一种由共面波导馈电的椭圆形单极子柔性天线，它使用kapton基板，并针对1GHz到8GHz的频率进行了优化[32]。在5.8GHz测量的最大增益分别为1.86dBi(未弯曲情况下)和3.1dBi(弯曲情况下)。此外，通过改变PANI基体中MWNCTs浓度来改变聚合物的电导率，从而调节其提出的有机柔性天线(PANI/MWCNTs)的增益[32]。

3 可穿戴天线未来发展趋势

萌芽时期的可穿戴天线，具有体积大、弯折性能差等方面的硬伤。近几年市场上出现的可穿戴天线在可穿戴性、智能性和安全性方面都得到了明显的提升，具备自己鲜明的特点。“可穿戴”表示需要有非常高效的便携性和舒适感，同时需要具备能够吸引用户的时尚外观。在未来，可穿戴天线的以下性能仍需重点研究并提高。

3.1 尺寸小巧，轻薄便捷

可穿戴天线最理想的状态是不被人感知。在用于佩戴场合时，可穿戴天线应尽可能尺寸小、轻薄、便于携带。将天线整合到衣物上时，则需要考虑原有物品的舒适性，不可破坏穿戴者的舒适感体验。尤其是近期得到较多研究的可植入式天线，对其安全性、可消化、小型化等都提出了新的更高的要求。

3.2 多频超宽带

由于可穿戴天线佩戴于人的身体上，人类的活动或者外界环境的影响均会对可穿戴天线的工作频率造成影响，弯折或者扭曲造成天线工作频率的偏移，无法正常工作。为了不影响佩戴者的舒适度，在摆放可穿戴天线的位置时也要更加合理，不能影响系统的工作性能。尤其是在可穿戴天线与人体共形时，需要保证在弯曲的情况下依然能够与移动终端设备正常连接，进行数据的通信。因此扩展天线的带宽，设计多个频段均可工作的可穿戴天线也是研究者比较关注的一个方向。

3.3 强大的抗干扰能力

可穿戴天线是用于数据传输交换的媒介，其工作场合是随时随地的，然而其他无线电波的干扰、多变的天气、使用过程中的意外情况，都会对电磁波的接收与发射造成影响，这就需要可穿戴天线具备更高的抗干扰能力。例如防水防尘、抗电磁干扰等都是未来可穿戴天线所追求的特征。

3.4 低SAR

因为可穿戴天线距离人体比较近，其电磁波的辐射会对人体的健康造成潜在的影响，如何尽可能地减小可穿戴天线的背向辐射特性是可穿戴天线设计时需要考虑的重要指标。如何平衡增强设备通信能力与减小对人体辐射的矛盾，需要设计者进行研究和优化设计。

4 结语

可穿戴设备在今后几年内的发展依然会保持一个比较高的速度，对可穿戴天线的研究也会继续深化和扩展，将传统通信天线进一步平面化、小型化，并进行多频多模设计从而使其更适用于可穿戴设备与体感网应用；结合电负、磁负以及左手材料等新型的超材料技术，可以获得效率更高、前后比更好的可穿戴天线；而随着电子皮肤与可植入设备的进一步研究，柔性天线、织物天线以及可消化天线的研究将有望成为未来可穿戴天线研究的热点。