一种应用于无线体域网的小型超宽带天线设计

李凯佳 ,杜成珠 ,焦哲晶 ,杨福慧

(1.上海电力大学 电子与信息工程学院,上海 200082;2.中电科微波通信(上海)有限公司,上海 201802)

自2002 年美国联邦通信委员会FCC(Federal Communications Commission)将3.1～10.6 GHz 划归民用,并定义绝对带宽大于500 MHz 或者相对带宽大于20%的系统为超宽带系统后,超宽带技术已经获得了极大的发展,超宽带天线也随之兴起[1-5]。由于超宽带通信的众多优点,超宽带天线目前在短距离无线通信、移动通信和医学成像、探地雷达等方面已有众多应用。

在超宽带天线的设计中,一般扩展天线带宽的方法包括加载枝节、开槽、改变天线辐射贴片形状和馈电方式等[6-10]。在文献[5]中,作者通过一个准圆环结构加载一个L 型枝节,将天线的带宽展宽为3.1～10.6 GHz;文献[6]讨论了印刷单极子天线采用圆形、正六边形等多种不同形状的宽带性能,分析了接地面挖槽对宽带的影响,并对比发现天线采用共面波导馈电可以获得更宽的带宽。

文献[11]提出了一种覆盖2.8～12.0 GHz 频段的三角形单极子分形天线,该天线阻抗带宽达到124.3%,但是结构较复杂,加工难度大。文献[12]设计了一种地板开槽的超宽带天线,天线带宽为2.2～14.6 GHz(147.6%),但该单极子天线尺寸为32 mm×39 mm,尺寸较大,不利于天线集成化。文献[13]提出了一种共面波导(CPW)馈电的超宽带天线,该天线结构较简单,天线尺寸为48 mm×31.6 mm,尺寸过大,不适用于小型化的电路。

超宽带天线的体积越小,意味着通信设备的其他元件能够有更多的空间来排版布局。通常超宽带天线小型化的方法有开槽和理想磁壁(Perfect Magnetic Wall,PMW)技术[11-15]。开槽能够增加电流的有效流经路径,在改善天线低频性能的同时能够减小天线的体积。PMW 技术指沿天线的对称轴线将天线等比例切除一部分,但是不会影响天线的性能[14-15]。文献[15]设计了一种微带缝隙宽带天线,通过采用贴片对半切的方法,可使天线的宽度减小了一半,天线尺寸为12.4 mm×16 mm,但天线带宽仅为1.975～3.875 GHz(64.96%),没有实现超宽带。

目前超宽带天线除了可应用于日常生活中的无线设备,如手机、平板电脑、智能手表等,还有大量用于健康监测系统的可穿戴和植入设备,因此应用于无线体域网的小型化超宽带天线的设计引起了学者们的广泛关注[4]。而具备柔性、可共形的天线非常适用于无线体域网中的可穿戴天线,基于柔性基板的超宽带天线的设计也是研究的热点。

基于上述背景,本文设计了两款小型化超宽带天线,一款采用常规的FR4 基板,另一款采用柔性的LCP 基板。初始天线为常规的超宽带天线,初始天线切除一半得到的天线为半切天线,对半切天线采用等比例缩小技术得到最终设计的小型天线。采用FR4 和LCP 介质板来设计并制作小型天线,并对比其性能。从仿真结果中可以看出,天线在小型化的过程中工作性能并没有明显的恶化,带宽依然满足要求。基于FR4 基板的天线的实测带宽为2.27～11.9 GHz,而基于LCP 基板的天线的实测带宽为2.8～9.6 GHz。此外,又利用HFSS 软件仿真分析了两种天线接近人体时S参数和SAR 值的变化情况。

1 天线设计及小型化过程

图1 为初始天线的正面、侧面和背面示意图。此时,初始天线的辐射贴片为一个圆片,为了增加电流流经路径,选择在圆片上面开扇形槽1,宽度为W1,扩展了低频带宽。为了进一步扩展天线的带宽,天线的馈线采用阻抗渐变的微带线,并在地板上开矩形槽2,长度为L2,宽度为L1。

图1 初始天线结构示意图Fig.1 Structure of primary antenna

之后,利用理想磁壁和等比例缩小技术,将初始天线沿对称轴切半后得到半切天线,将半切天线的长宽等比例缩小一半就得到本文最终所提出的小型超宽带天线。图2 为半切天线结构示意图,小型天线的结构与半切天线相同,但天线的尺寸不一样。

图2 半切天线结构示意图Fig.2 Structure of half antenna

采用两种介质基板来设计小型天线,一种是相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8 mm的FR4 材料,另一种是相对介电常数为2.9、损耗角正切为0.002、厚度为0.1 mm 的LCP 材料。通过HFSS 进行参数优化后得到各种天线的结构参数,分别如表1 和表2 所示。基于FR4 基板的小型天线在实现了超宽带频段的同时,其面积仅为同介质板的初始天线的0.125 倍;而基于LCP 基板的超宽带小型天线,其面积为同介质板的初始天线的0.2 倍,两类超宽带天线均实现了小型化。

表1 天线的几何尺寸比较(介质板为FR4)Tab.1 Comparison of the geometric size of antennas(substrate is FR4) mm

表2 天线的几何尺寸比较(介质板为LCP)Tab.2 Comparison of the geometric size of antennas(substrate is LCP) mm

天线设计过程中的S11结果对比如图3 所示,由图3 可知,天线在小型化的过程中S11参数有一定的变化,但均可满足超宽带的要求。

图3 天线小型化过程中的S11对比Fig.3 Comparison of S11 curves during antenna miniaturization

最后,基于表1、表2 优化之后的天线参数,将文中所提出的小型天线结构加工制作出天线实物,天线实物如图4 所示。

图4 天线实物图Fig.4 Fabricated antenna

2 仿真及实测结果

本文在天线的设计过程中使用了电磁仿真软件Ansoft HFSS 13 对天线结构及参数进行了仿真优化分析,并结合网络矢量分析仪进行实测的结果,综合讨论了天线的各项性能。

2.1 S 参数

通过对分别使用FR4 和LCP 介质板的小型天线进行仿真和实测,其回波损耗对比结果如图5 所示。图5(a)为FR4 基板天线仿真与实测S11对比图,整体来看仿真和测试的回波损耗起伏趋势基本一致,实测带宽达到了2.27～11.9 GHz,相对带宽为136%。图5(b)为LCP 基板天线仿真与实测S11对比图,工作带宽为2.8～9.6 GHz,相对带宽达到了110%。

图5 天线的S11仿真与实测对比图Fig.5 Comparison of S11 simulated and measurement results of the antenna

经过上述分析,可以明显看出,该天线采用FR4介质板时,虽然实测和仿真S11值有一些差别,但实测结果仍符合要求;使用LCP 介质板时,天线的实测带宽变小,但相对带宽仍可以满足超宽带的要求。因此,FR4 天线可面向普通低成本的超宽带领域,而LCP 天线则由于其轻薄、可弯曲的特点,主要面向无线体域网、可穿戴领域的应用。

2.2 辐射方向图

图6 为小型天线分别使用FR4 和LCP 介质板,在6 GHz 工作频率时的仿真与实测辐射方向图对比。图6(a)为FR4 基板,图6(b)为LCP 基板,从图中可以看出E 面微微呈现“8”字形,在90°时向内凹陷不太明显;H 面的方向图在30°和180°附近出现了凹陷,此处的辐射性能不太理想,但整体来看,天线基本可以满足具有良好辐射特性的要求。仿真值与实测值趋势相同。

图6 天线的6 GHz 辐射方向图仿真与实测结果Fig.6 Simulation and measurement results of radiation patterns of the antenna at 6 GHz

2.3 工作在人体组织上的性能分析

在天线面向穿戴式系统应用中,通常采用比吸收率(Specific Absorption Ratio,SAR)定量衡量天线辐射能量对人体组织的影响,局部SAR 值的计算公式为:

式中:σ为导电率;E为电场强度的均方根值;ρ为人体组织密度。

人体组织模型由2 mm 的皮肤层,5 mm 的脂肪层和20 mm 的肌肉层组成,表3 列出了每一层材料的具体参数[3]。整个人体组织模型的尺寸为35 mm×20.5 mm×27 mm。在HFSS 下建立如图7 所示的天线接近人体模型。

表3 人体组织参数[3]Tab.3 Human body tissue parameters[3]

图7 天线接近人体模型Fig.7 The human body approaching the antenna model

将天线距离人体模型表面的距离作为变量H1(H1取4,5,6,7 mm),输入功率为1 W,中心频率取5 GHz,并进行SAR 值仿真分析。表4 给出了不同距离下小型天线的最大SAR 值。可以看出,随着H1的增加,天线SAR 值逐渐降低。在10 g 组织的前提下,对于介质板为FR4 的小型天线来说,H1≥5 mm 时SAR值低于2 W/kg 的欧盟标准;对于介质板为LCP 的小型天线来说,H1≥7 mm 时,SAR 值符合欧盟标准。

表4 H1=4,5,6,7 mm 时最大SAR 值Tab.4 Maximum SAR values with H1=4,5,6,7 mm

图8 和图9 为在SAR 值均满足欧盟标准下,H1分别为5 mm 和7 mm 时,不同介质板的小型天线接近人体模型的S11仿真结果与无人体组织模型时S11仿真对比图。由图可知,当小型天线的介质板为FR4 时,模拟天线工作在人体附近的S11在5～9 GHz 时小于-10 dB;当介质板为LCP 时,在6～7.5 GHz 和8.7～11.8 GHz 下,天线接近人体模型仿真得到的S11小于-10 dB。由比较可知,采用LCP 介质板的天线在接近人体工作时,性能影响相对较小,由于其轻薄可弯曲的特性,因此更适用于可穿戴领域的应用。

图8 使用FR4 天线有无人体组织模型仿真S11对比图Fig.8 Comparison of S11 of the antenna based on FR4 with or without human tissue

图9 使用LCP 天线有无人体组织模型仿真S11对比图Fig.9 Comparison of S11 of the antenna based on LCP with or without human tissue

3 结论

通过采用等比例缩小技术,设计了两种可应用于无线体域网的简单小型化超宽带天线。使用两种材料FR4 和LCP 作为介质板,天线尺寸分别为:25 mm×10.5 mm× 0.8 mm 和32 mm× 7.5 mm× 0.1 mm。FR4基板天线的实测带宽为2.27～11.9 GHz,相对带宽达到了134%;LCP 介质板天线的实测带宽为2.8～9.6 GHz,相对带宽为110%。同时,作者还研究了人体对超宽带天线性能的影响,仿真的SAR 值均满足欧盟标准。以LCP 超薄材料为介质板的天线为可穿戴天线的设计提供了一个思路,该天线亦适用于结构紧凑的通信设备,也可作为天线阵和MIMO 天线的天线单元。